Podstawy fizyki cząstek 2014 Krzysztof Fiałkowski, Krzysztof Wożniak

Plan Historia i podstawowe pojęcia Fenomenologia Metody doświadczalne (LG) Opis lagranżowski oddziaływań, QED Teoria GSW, QCD „Fizyka astrocząstek”; co po SM?

Ćwiczenia Kinematyka relatywistyczna Zastosowanie symetrii – izospin Model kwarków, prawa zachowania Równanie Diraca, teoria GSW i QCD

Literatura 1. G.Białkowski, R.Sosnowski: Cząstki elementarne (71) (przestarzałe) 2. D.H.Perkins: Wstęp do fizyki wysokich energii (72/82/89/00/04) 3. E.Leader, G.Predazzi: Wstęp do teorii oddziaływań kwarków i leptonów (82/87/90) 4. D.Lincoln: Kwantowa granica: Wielki Zderzacz Hadronów (10) 5. E.Skrzypczak, Z.Szefliński: Wstęp do fizyki jądra atomowego i cząstek elementarnych (95/02) (minimum) Ang.: 1. B.R. Martin, G. Shaw: Particle Physics (97/08) 2. M.Veltman: Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics (03) 2. B.R. Martin: Nuclear and Particle Physics (06) 3. R.Mann: An introduction to particle physics and the standard model (10)

Popularne (przykłady) 1. S.Weinberg: Pierwsze trzy minuty (77/80) 2. T.Hofmokl, M. Święcki: Cząstki elementarne (82) 3. F.Close: Kosmiczna cebula (86/88) 4. S.Weinberg: Sen o teorii ostatecznej (92/94) 5. L.Lederman, D.Teresi: Boska cząstka (93/96/12) 6. A.Strzałkowski: O siłach rządzących światem (96) 7. K.Fiałkowski: Opowieści o neutrinach (98) 8. H.Fritzsch: Elementary Particles, Building Blocks of Matter (05)

Prehistoria I i) atomy starożytnych (Demokryt, Lukrecjusz - tylko pojęcie filozoficzne, bez sprawdzalnych następstw), ii) początki – atomy Daltona: wzór pośredniego odkrywania struktury (prawo stosunków stałych w związkach chemicznych  charakterystyczna masa dla atomów każdego pierwiastka); atomy niezmienne, niepodzielne, iii) atomy w termodynamice - Boltzmann, ruchy Browna - Einstein, Smoluchowski

Prehistoria cd. Struktura atomu? Becquerel, Curie2 – radioaktywność (a, b –naładowane ciężkie i lekkie, g – neutralne). Identyfikacja: g - wysokoenergetyczne fotony; - elektrony (odkrycie - Thomson), – jądra helu (znacznie później!) Oczywiste pytanie: czy to składniki atomu? Nobel: ‘03 Becquerel, Curie2, 06 Thomson, 08 (c) Rutherford

Prehistoria cd.: Rutherford Rutherford – jądro z rozpraszania cząstek a na folii Au: opis OK przy założeniu (b) prawie całej masy i ładunku +Ze w objętości V << Vatomu, Z elektronów o ładunku –e dookoła, a nie (a) równego rozkładu ładunków + i -

Prehistoria cd. Świat e, p, n: Soddy – izotopy; Chadwick – neutron: Cząstki a z Po: a+9Be→12C+promieniowanie Joliot-Curie2: to promieniowanie wybija protony z parafiny, „efekt Comptona na protonach?” Chadwick: nie g, bo m≠0 z bilansu E/p przy zderzeniach; m≈mp, nazwa: neutron

Prehistoria cd. Uwaga: nazwa „neutron” pierwotnie dla cząstki Pauli’ego (o której potem); Fermi: neutrino i neutron Heisenberg (Iwanienko): jądro z protonów i neutronów Już wcześniej Majorana: interpretacja JC przed Chadwickiem, „neutralny proton”, budowa jądra, ale odmowa publikacji Nobel: 21 Soddy, 32 Heisenberg, 35 Chadwick, 35 (ch) Joliot-Curie2

“Prawdziwy” początek fizyki cząstek a) ’30 hipoteza neutrina n Pauli’ego, pobudki: i) ciągłe widmo energii elektronów z rozpadu b (n→p+e+?) (w odróżnieniu od liniowych widm a i g), ii) niezgodność spinu jąder przed- i po rozpadzie z prawem zachowania momentu pędu, idea: extra cząstka neutralna o spinie ½, b. małej masie, ocena Pauliego: s jak g, masa jak e:

“Prawdziwy” początek fizyki cząstek cd. Pierwsza ocena przekroju czynnego na proces odwrotny do rozpadu b, czyli n+ne+p: H.Bethe, R.Peierls, Nature 133 (1934) 532: związek czasu życia T z przekrojem czynnym s=A/T, [A]=cm2/s, l<ħ/mc, t<ħ/mc2, więc A<ħ3/m3c4; dla t=3’ s<10-44cm2. Droga swobodna w materii 1016 km ≈ 1 ly! Dla znanego dziś T(nepn)≈103s nawet 10-45cm2, wiele rzędów wielkości poniżej sugestii Pauli’ego. „Niewidzialna cząstka”, zakład Pauli’ego, F.Reines, C.L.Cowan ‘56. Ocena masy z widma elektronów także niższa, m<<me . Do dziś nie zmierzona!

“Prawdziwy” początek fizyki cząstek cd. b) ’32 Anderson „antyelektron” – pozyton e+ w o. promieni kosmicznych z Pb (wcześniej ‘27 Skobielcyn, Joliot-Curie2) c) ’37 Anderson – mion m w promieniowaniu kosmicznym (niestabilny, naładowany, masa ≈ 200 me, czyli 0.1 mp); Wcześniej ’32 Kunze, ale bez konkluzji! Sugestia, że to pośredniczący w oddziaływaniach nukleonów przewidziany przez Yukawę mezon (m≈ħ/cR, R≈1fm → m≈0.2GeV/c2 ≈0.2mp), ale m nie oddziałuje „silnie” jak nukleony – „lepton” jak e! Nobel: ’36 Anderson

Antrakt: jak odkrywa się nowe cząstki? Identyfikacja: masa (+ potem inne). Dla naładowanych długożyjących: ślady jonizacji (ew. utrwalone); z pomiaru strat energii, zakrzywienia w polu magnetycznym E i p, więc masa m2c4=E2-p2c2. Dla neutralnych pomiar e lub p wybijanych z materii. Długo- vs krótkożyjące: L=tvg≈tv (małe v)→E/mc , przykłady tc: dla m - 600 m, p+/- - 8 m, p0 – 0.2 mm. Dla krótkożyjących: masa z bilansu E i p produktów rozpadu (uwaga: relacja nieoznaczoności!).

Historia 1945-1975 Odkrycia setek niestabilnych cząstek oddziałujących silnie – hadronów: pierwszy „mezon Yukawy” p, Powell ’47, Kolejne „dziwne”, żyjące >10-10s, choć o.silnie: K i L (też w promieniowaniu kosmicznym jak m); potem akceleratorowe, także „rezonanse” z t≈10-23s rejestracja neutrina: Reines i Cowan (reaktor), Davis (słoneczne), potem 2 rodzaje: ne i nm Schwarz et al., trzeci lepton t Perl i (znacznie później) trzecie n,

Eksperyment Ledermana, Schwarza, Steinbergera i in.

Historia 1945-1975 cd. ’64 model kwarków (Gell-Mann i Zweig): hadrony jako układy kwark-antykwark lub 3 kwarków, bezowocne próby odkrycia ’67-71 teoria GSW o. słabych i QCD silnych: standardowy model oddziaływań leptonów i kwarków

Historia 1945-1975 cd. ’74 odkrycie czwartego kwarku (Richter i Ting) ’75 trzeci lepton naładowany (Perl) (później piąty i szósty kwark, trzecie neutrino) Nobel: ’49 Yukawa, ’50 Powell, ’59 Segre, Chamberlain, ’69 Gell-Mann, ’76 Richter, Ting, ’79 Glashow, Salam, Weinberg, ’80 Cronin, Fitch, ’84 Rubbia, van der Meer, ’88 Lederman, Schwarz, Steinberger, ’90 Friedman, Kendall, Taylor, ’92 Charpak, ’95 Perl, Reines, ’99 ‘t Hooft, Veltman, ’02 Davis, ’04 Gross, Politzer,Wilczek, ’08 Nambu, Kobayashi,Maskawa

Podstawowe pojęcia Relacja Einsteina: równoważność energii spoczynkowej Es = mc2 i innych form energii (np. kinetycznej) podstawą opisu procesów rozpadu i produkcji nowych cząstek: A→a1 +…+an możliwe gdy mA >m1+…+mn, A+B→ a1 +…+an możliwe, gdy kwadrat sumy czteropędów (pA +pB)2 = (EA+EB)2/c2-(pA+pB)2 > (m1+…+mn)2c2 Z bilansu możliwe wyznaczanie mas nowych cząstek!

Podstawowe pojęcia cd. Relacja nieoznaczoności: badanie struktury poniżej Dx możliwe jeśli Dp>ħ/Dx, a zatem p>ħ/Dx. ħ≈0.2GeV·fm/c, więc do badań Dx<1fm potrzeba p>0.2GeV/c; fizyka subjądrowa = fizyka wysokich energii. Wyjątek: mały zasięg oddziaływań może zapewnić badanie mikrostruktury nawet przy niskich energiach (fizyka neutrin!).

Kinematyka, zmienne Dla procesu A+B1+...+n: 3(n+2) składowych pędu, ale 4 relacje z prawa zachowania 4-pędu, 6 parametrów obrotu i „boostów” do wyboru układu, więc tylko 3n-4 zmiennych niezależnych; dla „2-ciałowych” tylko 2, np. ECM i qCM. Wygodne „zmienne niezmiennicze” niezależne od wyboru układu; dla 2-ciałowych (Mandelstam): s = (pA+pB)2 = (p1+p2)2 = ECM2; t = (pA-p1)2 = (pB-p2)2= -4pCM2sin2(qCM /2) (dla równych mas).

Kinematyka, zmienne cd. Uogólnienie s, t możliwe, ale już dla n=4 mamy 3n-4=8 zmiennych; przy 10 binach w każdej trzeba >109 przypadków dla ich „rozsądnego” wypełnienia. Wyjście: opis inkluzywny (Feynman) - rozkłady w składowych pędu jednej (dwu) cząstek wysumowane po krotności stanu końcowego i wycałkowane po pędach pozostałych cząstek. Zamiast pi lepsze pT i „rapidity” y y=ln((E+pL)/(pT2+m2)1/2), gdzie „T” i „L” względem osi zderzenia. Niezmienniczość, niezależność,

Podstawowe pojęcia cd. Język opisu: relatywistyczna mechanika kwantowa (powinna być kwantowa teoria pola, ale to wymaga wielu nowych pojęć). Podstawa: równanie Diraca (wyprowadzenie potem) – relatywistyczny odpowiednik równania Schrödingera (’26) dla spinu ½ (’28): Zapis jest jawnie relatywistyczny, choć dowód tego wymaga wiedzy o prawach transformacji Y i form utworzonych z Y i gm (na potem).

Równanie Diraca to macierz kolumnowa, i i  kwadratowe. Aby iteracja dała r. Kleina-Gordona wynikłe z musi zachodzić Interpretacja: cztery składowe Y opisują dwa rzuty spinu elektronu z dodatnią energią i dwa rzuty spinu elektronu z ujemną energią. Te ostatnie odpowiadają antycząstkom elektronu (pozytonom) z dodatnią energią. Zatem równanie Diraca (w odróżnieniu od równania Schrödingera) może opisywać procesy produkcji par e+e- i anihilacji tych par (a także dowolnych innych par cząstka-antycząstka).

Symetrie i prawa zachowania Oprócz znanych jak translacje, obroty (zachowanie pędu i momentu pędu) nowe dyskretne np. parzystość gdzie oczywiście P2=1, więc P=±1. P działając na stan własny pędu daje To dobra symetria (parzystość zachowana) dla oddziaływań elektromagnetycznych oraz silnych, nie dla słabych.

Symetrie cd. Dla stanów własnych momentu pędu, np. daje r→r, q→p-q, f→p+f, więc Dla wszystkich fermionów , umowa: P=+1 dla e, p etc., -1 dla antycząstek. Inna symetria: ładunkowa Znów C2=1, więc C=±1, C takie samo dla a i ā. Przykład: para p+p- z momentem pędu L. bo zamiana cząstek jest równoważna ich zamianie w przestrzeni. Podobnie dla pary fermionów, ale tu Ca=-Cā, a ponadto czynnik spinowy (-1)s+1 , więc w sumie

Symetrie oddziaływań W oddziaływaniach słabych symetria P złamana! W oddziaływaniach elektromagnetycznych symetrie P, C Zagadka Q/t: mezony K mogą się rozpadać na 2 lub 3 p, Dalitz: te stany mają przeciwną parzystość! Lee i Yang: zachowanie parzystości w o. słabych trzeba sprawdzić! Doświadczenie pani Wu: rozpad b jąder 60Co o spinach uporządkowanych polem magnetycznym jest asymetryczny (więc o. słabe łamią symetrię P!). Nb. w o. silnych obie symetrie też zachowane.

Symetrie oddziaływań 2 Fitch i Cronin: symetria CP też złamana w rozpadach K! Analiza: skoro dziwność S nie jest zachowana w słabych o., kombinacja stanów K±¯K odpowiada CP=±1. Te stany mają określone czasy życia: jeden rozpada się szybko na pp, drugi wolno na ppp. To tłumaczy „zagadkę Q/t”. Ale stan długożyciowy (CP=-1) rozpada się w 0.2% na pp! Zatem o. słabe mogą też zmieniać CP! To wyjaśniono dopiero w modelu kwarków z 3 generacjami: stany o określonej masie to kombinacje stanów d, s, b. Macierz mieszania (Kobayashi i Maskawa) jest zespolona.

Oddziaływania i diagramy Feynmana Procesy zapisujemy jako a+b→c+d+…. Spełnienie praw zachowania zachodzi równocześnie w procesach, gdzie cząstki stanu początkowego zamieniamy na antycząstki stanu końcowego, np. proces oznacza, że zachodzi także . Ten pierwszy proces to było rozpraszanie elastyczne, inne – nieelastyczne (bez zmiany liczby cząstek, lub ze zmianą, np. Inne ważne procesy: rozpady a→b+c+…, np. rozpad b neutronu (uwaga: w wielu jądrach niemożliwy przez prawo zachowania energii).

Diagramy Feynmana Zapis członów rozwinięcia perturbacyjnego amplitud w elektrodynamice kwantowej (także dla innych oddziaływań). Każdy diagram - określony wzór. Tu tylko jako skrótowy zapis procesu uwzględniający prawa zachowania. Przykłady: Różne typy linii dla fermionów (kwarki, leptony) i bozonów (fotony, gluony itp.). Tu z reguły tylko diagramy najniższego rzędu możliwe dla danego procesu. Linie wewnętrzne - cząstki wirtualne (nie na „powłoce mas”); inny opis to „chwilowe niezachowanie energii”.

Zachowanie energii a nieoznaczoność: zasięg oddziaływań wymiennych Takie najprostsze diagramy (zwykle z umową, że czas biegnie od lewej do prawej) opisują „procesy dwuciałowe” A+B→C+D. W pierwszym coś jest wymieniane, w drugim coś się tworzy w stanie pośrednim. W QED każdemu diagramowi odpowiada konkretny wzór. W innych teoriach też, ale niekoniecznie suma dobrze określona.

Zachowanie energii a nieoznaczoność: zasięg oddziaływań wymiennych cd. Tu tylko sugestia dominującego wkładu w (nieskończonym) szeregu perturbacyjnym, a nie szczegółowy wzór. Diagramy „wymiany” dominują zwykle przy wysokich energiach, diagramy „tworzenia” tylko dla energii bliskiej energii spoczynkowej obiektu tworzonego w stanie pośrednim. Uwaga: linie niekoniecznie tylko dla cząstek elementarnych i „porządnych” teorii, diagramy dobre i w teoriach „efektywnych”, dla których szereg perturbacyjny nie istnieje, albo nie jest zbieżny!

Zachowanie energii a nieoznaczoność: zasięg oddziaływań wymiennych cd. Dla teorii modelu standardowego: QCD (oddziaływania silne) i GSW (elektrosłabe) diagramy mają ścisły sens, jak w QED, ale o tym potem. Tu głównie prawa zachowania! Przy wymianie X przez A spoczywającą przed zderzeniem mamy Dla A→X+A różnicę energii po- i przed zderzeniem daną przez . Zgodnie z relacją nieoznaczoności takie niezachowanie energii jest dozwolone na czas , więc X może zwykle przelecieć dystans . R to zasięg oddziaływania opisanego przez wymianę X.

Zachowanie energii a nieoznaczoność: zasięg oddziaływań wymiennych cd. Dla QED wymieniany jest foton o mg =0, więc zasięg jest nieskończony. Jak zobaczymy, dla słabych oddz. masy wymienianych W i Z są rzędu 100 mas protonu, więc R jest rzędu 1 am (10-18 m). Dla silnych oddz. kwarków wymieniany gluon, mg=0, R=∞ jak w QED, ale dla oddz. nukleonów efektywny opis przez wymianę mezonu p o masie rzędu 0.1 mas protonu, R rzędu 1fm.

Zasięg cd. Dokładniejszy sens zasięgu dla potencjału: przy masie jednej z cząstek →∞ ruch drugiej jak w zadanym potencjale. W QED r. d’Alemberta, statycznie - Laplace’a, rozwiązanie dla punktowego źródła: Coulomb. Dla wymiany cząstki z m≠0 r. Kleina-Gordona , rozwiązanie statyczne , czyli „potencjał Yukawy” . Zasięg ma sens dla eksponencjalnych potencjałów. g2 to „stała sprzężenia”. Dla QED g2/ħc≈1/137 Ścisły sens dla innych o. później.

Amplitudy i przekroje czynne Z mechaniki kwantowej: dla rozpraszania na potencjale V(x) amplituda przejścia cząstki o pędzie qi do stanu o pędzie qf dana wzorem (najniższy rząd rachunku zaburzeń!): . Gdy potencjał zależy tylko od r (np. Yukawy), całkę wykonujemy w zmiennych sferycznych:

Amplitudy i przekroje czynne cd. To był typowy wynik nie tylko dla Yukawy: stała sprzężenia razy propagator cząstki wymienianej. W granicy q2«mX2c2 to stała: . Tak jest przy niskich energiach dla o. słabych, gdzie f(q2)=-GF. Wartość liczbowa tej stałej jest mała w porównaniu z , jeśli mX rzędu mp, czyli o. są „słabe”; w rzeczywistości g2 podobne, jak w QCD, ale mX>>mp. Wyższe rzędy rachunku zaburzeń małe już dla QED, gdzie rozwinięcie w a≈1/137, dla słabych jeszcze mniejsze. Wystarcza więc zwykle użyć najniższego rzędu, w którym proces jest możliwy.

Przekroje czynne Df z prawdopodobieństw, np. częstość reakcji , gdzie J to strumień cząstek, N gęstość tarczy całkowana po grubości, a sr to właśnie przekrój czynny, współczynnik proporcjonalności (o wymiarze powierzchni). Interpretacja geometryczna: taka powierzchnia „tarczki” związanej z każdą cząstką tarczy, że reakcja zachodzi, gdy cząstka wiązki w nią trafi. Całkowite przekroje czynne dla hadronów rzędu dziesiątek mb (10 mb = 1 fm2), dla neutrin wiele rzędów wielkości mniej, stąd „przenikliwość”.

Przekroje czynne cd. Rozpraszanie na potencjale: różniczkowy przekrój czynny df przez , łatwo wyrazić przez amplitudę. Dla „wiązki” jednej cząstki na objętość V w której jest jedna cząstka tarczy . Mechanika kwantowa: ; f to amplituda, a r to gęstość stanów: . Zatem . Analogiczne wzory dla reakcji dwuciałowych w układzie CM.

Rozpady Opis: szerokość cząstkowa Gf, całkowita G=SGf=ħ/t to miara niestabilności, też proporcjonalna do kwadratu amplitudy. Nieoznaczoność → rozkład energii W stanów końcowych (wzór Breita-Wignera): . Jeśli w reakcji tworzy się taki niestabilny stan, to . Mierząc doświadczalnie ten rozkład dla różnych f można wyznaczyć także Gf dla stanów „niewidocznych” (z bilansu).

Klasyfikacja cząstek i model kwarków Elektron, mion i neutrina (i ich antycząstki) - leptony (od greckiego „lekkie”, choć dziś znany i ciężki „taon”). Spin 1/2. Dzisiejsza definicja: elementarne fermiony nieoddziałujące silnie. Mion i taon niestabilne. Od 1947 liczne nowe (po p, n i mezonie ) cząstki silnie oddziałujące - hadrony: „ciężkie” czyli cięższe od p, n - bariony (spin n+1/2), „średnie” - mezony (spin n, potem też cięższe);

Klasyfikacja cząstek i model kwarków cd. Hadrony oprócz p wszystkie niestabilne, rozpady „wolne” przez oddziaływania słabe jak n, +/-, szybsze (10-16 -10-18 s) elektromagnetyczne jak 0, b. szybkie (10-19-10-24s) przez silne („rezonanse”). Wzrost ich liczby - sugestia struktury (jak tablica Mendelejewa?). Inna sugestia - niepunktowość. 1964 Gell-Mann i Zweig - model kwarków „q”: mezony kwark - antykwark, bariony qqq; oryginalnie 3 rodzaje kwarków u,d,s.

Klasyfikacja cząstek i model kwarków cd. Cechy kwarków: spin 1/2 (jak leptony), ładunki +2/3e i -1/3e - nieobserwowalne jako swobodne. Definicja kwarków: elementarne fermiony oddziałujące silnie. Dziś po 6 leptonów i kwarków, każdy kwark w 3 stanach („kolorach”), hadrony „neutralne”. Oddziaływanie ładunków kolorowych inne od elektrycznych - wzrost siły z odległością, „uwięzienie”, nieistnienie swobodnych „kolorów”, więc i kwarków; bozony pośredniczące („gluony” g) też uwięzione.

Klasyfikacja cząstek i model kwarków cd. Rodzaj cząstek Obserwowalne Uwięzione Elementarne Leptony, bozony W, Z, g Kwarki, gluony Złożone Hadrony Charakterystyka cząstek obserwowalnych: masa m, spin i parzystość JP, czas życia , ładunek Q, inne liczby kwantowe zachowane w różnych oddziaływaniach (na potem). Dla uwięzionych masa tylko w przybliżeniu, czas życia nieokreślony. Leptony, kwarki: JP=1/2+. Bozony pośredniczące (, W, Z, g): JP=1-. Hadrony: J=k+1/2 (bariony), J=k (mezony).

Tabela leptonów ∞ Rodzaj cząstki masa [MeV/c2] czas życia [s] ładunek [e] Elektron e .510998910(13) ∞ -1 Neutrino el. ne <10-5 (10-8?) Mion m 105.658367(21) 2.19703(2)10-6 Neutrino m. nm <0.17 (10-8?) Taon t 1776.82(16) 2.906(10)10-13 Neutrino t. nt <18.2 (10-8?)

Tabela kwarków Górny u Dolny d Dziwny s Powabny c Denny b Szczytowy t Nazwa kwarku Masa [GeV/c2] Ładunek [e] „Zapach” Górny u .0017-.0033 +2/3 Izospin I3=1/2 Dolny d .0041-.0058 -1/3 Izospin I3=-1/2 Dziwny s .08-.13 Dziwność S=-1 Powabny c 1.18-1.34 Powab C=1 Denny b 4.13-4.37 Piękno B=1 Szczytowy t 172.0(1.6) Prawda T=1 Uwaga: t swobodny, bo czas życia t <10-25s krótszy niż 1 fm/c

Tabela bozonów pośredniczących Masa [GeV/c2] Czas życia [s] Ładunek [e] Foton g 0 (<10-27) ∞ W+/- 80.399(23) 3.16(6)10-25 +/-1 Z 91.1876(21) 2.638(2)10-25 Gluony g 0 (uwięzione) Uwaga: czasy życia t<10-16 s z relacji nieoznaczoności =ħ/ z szerokości rozpadu: =2.085(42) GeV dla W, 2.4952(23) GeV dla Z.

Tabela niektórych mezonów Masa [GeV/c2] Spin [ħ] Ładunek [e] Czas życia [s] p+/- .13957018(35) +/-1 2.6033(5)10-8 p0 .1349766(6) 8.4(5)10-17 h .547853(24) 5.1(3)10-19 w .7826(1) 1 .77(1)10-22 K+/- .493677(13) 1.238(2)10-8 K0S .497614(24) .8953(5)10-10 K0L 5.116(20)10-8 D+/- 1.86960(16) 1.040(7)10-12 Ds.+/- 1.96847(33) .500(7)10-12 j/y 3.096916(11) .71(2)10-20

Tabela niektórych barionów Masa [GeV/c2] Spin [ħ] Ładunek [e] Czas życia [s] P .93827201(2) ½ +1 ∞ (>1040) N .93956535(2) 885.7(8) D(1232) 1.231-1.233 3/2 +2,+1,0,-1 5.5(1)10-24 L 1.115683(6) 2.63(2)10-10 S+ 1.18937(7) .802(3)10-10 S0 1.19264(2) 7.4(7)10-20 S- 1.19745(3) -1 1.48(1)10-10 X0 1.3149(2) 2.90(9)10-10 X- 1.32171(7) 1.64(1)10-10 W- 1.67245(29) .821(11)10-10 Lc 2.28646(14) .200(6)10-12

Aktualne tabele cząstek Pełne tablice cząstek publikowane corocznie przez Particle Data Group na zmianę w Physical Review i European Journal of Physics (objętość ok. 700 stron A4), dostępne w skrócie jako zeszyciki i w Internecie pod http://pdg.lbl.gov/

Struktura hadronów w modelu kwarków - mezony ; ; ; ; ;

Struktura hadronów w modelu kwarków – mezony cd. ; ; ; ; ; ; h, , ‘=

Struktura hadronów w modelu kwarków - bariony Bardziej skomplikowane wzory (spin, izospin, statystyka) więc tylko symbolicznie: Bariony z c, s, b słabiej znane, odkrywane sukcesywnie w ostatnich dekadach stany usc, dsc, ssc, ucc nie budzą już takich sensacji, jak kiedyś W ; nikt nie wątpi w ich istnienie.

Krótka systematyka hadronów Reguły: Najlżejsze hadrony: z kwarków u, d, s o najniższych spinach; najdłuższe czasy życia. Wyższe spiny - „wyższe wzbudzenia”; czas życia jak dla silnych o.: 1fm/c≈10-23 s Kolejne „rodziny” z kwarkami c, b, znów najlżejsze stabilne względem silnych o.

Podsumowanie i krótki słownik W fizyce cząstek o. silne (s.), elektromagnetyczne (e.) i słabe (sł.); dwa ostatnie opisywane wspólną teorią; grawitacyjne zaniedbywalne. O.e. i o.s. między kwarkami i gluonami długozasięgowe; o.sł. i o.s między hadronami krótkozasięgowe. Typowe czasy np. rozpadów s. to10-24-10-20s; e. 10-19-10-16s, sł. powyżej 10-13s (ale dla W, Z, t o wiele rzędów mniej!).

Podsumowanie cd. Obiekty fizyki cząstek: obserwowalne bezpośrednio - hadrony, leptony i bozony , W i Z; uwięzione - kwarki i gluony. Hadrony: układy kwarków związane polem silnych oddziaływań (gluonowym), dzielimy na bariony (fermiony) i mezony (bozony). Fermionami (o spinie 1/2) są też kwarki i leptony, a bozonami (o spinie 1) , W, Z i gluony.

Podsumowanie cd. Główne źródło informacji o cząstkach i ich oddziaływaniach: procesy rozproszeniowe (po których zwykle następują rozpady cząstek nietrwałych). Opis: prawa zachowania (w tym specyficzne dla fizyki cząstek), kinematyka relatywistyczna, formalizm amplitud rozpraszania i przekrojów czynnych.

Słownik niektórych terminów barion - hadron o niezerowej liczby barionowej, fermion bozon - cząstka o całkowitym spinie (w jednostkach ); podlega statystyce Bosego-Einsteina (symetryzacja) fermion - cząstka o połówkowym spinie, podlega statystyce Fermiego-Diraca (antysymetryzacja, zakaz Pauli’ego) gluon - kwant pola o.s., bozon (uwięziony) hadron - cząstka obserwowalna oddziałująca silnie

Słownik niektórych terminów cd. kolor - uniwersalnie zachowany ładunek silnych oddziaływań, niezerowy dla kwarków i gluonów, zerowy dla cząstek bezpośrednio obserwowalnych (istniejących jako stany swobodne) kwark - elementarny fermion oddziałujący silnie (uwięziony) lepton - elementarny fermion nieoddziałujący silnie mezon - hadron o zerowej liczbie barionowej, bozon

Słownik niektórych terminów cd. parzystości - multiplikatywne liczby kwantowe cząstek zachowane w o.s. i o.e.: przestrzenna P, ładunkowa C, kombinowana CP, G... przekrój czynny - znormalizowane przez strumień zderzających się cząstek prawdopodobieństwo zajścia procesu w jednostce czasu i objętości (o wymiarze powierzchni) rozpraszanie elastyczne - r. z zachowaniem liczby i rodzaju zderzających się cząstek

Słownik niektórych terminów cd. spin - wewnętrzny moment pędu cząstki uwięzienie - postulowana cecha s.o. kwarków i gluonów uniemożliwiająca ich istnienie jako cząstek swobodnych zapachy (flavours) - addytywne liczby kwantowe kwarków i hadronów zachowane w o.s. i o.e.: izospin, dziwność (strangeness S), powab (charm C), piękno (beauty B), prawda (truth T). S.o. nie rozróżniają zapachów! Niekiedy także uniwersalnie zachowane l.k.: ładunek elektryczny, liczba barionowa, liczby leptonowe.