CZĄSTKI ELEMENTARNE JAK TO ZROZUMIEĆ CZYLI MIĘDZY INNYMI O GOTOWANIU MAKARONU W przygotowaniu skorzystano z prezentacji innych autorów takich jak: Agnieszka Obłąkowska-Mucha, Katedra Oddziaływań i Detekcji Cząstek Henryk Pałka, IFJ PAN Marek Kowalski Krzysztof Fiałkowski, IFUJ

Z czego jest zbudowany świat? 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

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)

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.

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”. Odkrycie jądra atomowego

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

ATOM WODORU BOHRA Niels Bohr (1885 – 1962) Nagroda Nobla 1922 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 moment pędu jest skwantowany Bohr oparł się na pracach Maxa Plancka, który wykazał, że promieniowanie jest emitowane w porcjach (kwantach)

Tajemnicza cząstka Yukawy… Hideki Yukawa (1907 – 1981) Nagroda Nobla 1949 Dla wyjaśnienia sił pomiędzy nukleonami konieczna jest dodatkowa cząstka o masie ~200 m e (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 ?”

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

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”.

Komora pęcherzykowa Aparat stereoskopowy Lampa błyskowa Ciekły wodór Układ rozprężający

Jest to fotografia komory pęcherzykowej, w której antyproton wlatujący z dolnej części zdjęcia do góry, zderza się z protonem (w spoczynku) i występuje anihilacja. W procesie tym powstało osiem pionów. Jeden z nich rozpadł się na mion μ + i ν. Tory dodatnich i ujemnych pionów odchylają się w polu magnetycznym w przeciwnych kierunkach, a obojętne ν nie pozostawia śladu.

CZĄSTKA NAŁADOWANA W POLU MAGNETYCZNYM

Fermion ( niezbyt towarzyskie cząstki) cząstki o połówkowym spinie, które nie chcą zajmować tej samej pozycji energetycznej >>>> zakaz Pauliego Bozon (cząstki towarzyskie) cząstki o całkowitym spinie, obecność innych cząstek im nie przeszkadza

Oddziaływanie pomiędzy cząstkami Grawitacyjne tak słabe, że są do pominięcia Elektromagnetyczne dotyczy cząstek obdarzonych ładunkiem Silne utrzymują w całości jądro atomowe pomimo elektromagnetycznych sił odpychających od siebie protony Słabe dotyczą wszystkich cząstek Hadrony ---- oddziałują silnie: protony, neutrony, piony Leptony ---- nie oddziałują silnie: elektrony, neutrina Hadron który jest fermionem to barion: proton Hadron który jest bozonem to mezon: pion

Foton to też cząstka elementarna! Każda cząstka ma swoją antycząstkę Dwa fermiony jakimi są elektrony zamieniają się w dwa bozony jakimi są fotony Ładunek zachowany Liczba leptonów zachowana bo foton to też lepton Spin też zachowany

Dziwność (oddziaływania silne) Niektóre cząstki zawsze powstają parami jak np. Kaon i Sigma To zachowanie tak zdziwiło naukowców, że nazwali je dziwnymi jeszcze przed ich identyfikacją. Wkrótce sformułowano prawo zachowania dziwności przypisując dla Kaonu dziwność S=+1 a dla Sigmy S=-1 Często zachodząca reakcja a ta pomimo, że nie łamie innych zasad zachowania nie zachodzi nigdy

Ścieżki osmiokątne i idea kwarków

Fizycy opracowali teorię zwaną Modelem standardowym. Wyjaśnia ona, czym jest świat i co utrzymuje go w całości. Jest to prosta i spójna teoria, która opisuje setki znanych nam cząstek oraz oddziaływania między nimi jedynie za pomocą: 6 kwarków. 6 leptonów. Najbardziej znanym leptonem jest elektron. cząstki przenoszące oddziaływanie, jak np. foton. Wszystkie znane cząstki materii składają się z kwarków i leptonów. Oddziałują one poprzez wymianę cząstek przenoszących oddziaływania.

NazwaSymbolGeneracja Izospin I Zapach Ładunek e Masa prądowa m (MeV/c²) Masa konstytuentn a M (GeV/c²) Antycząstka górnyu1+½U = +1 +⅔+⅔ 1,5–4,0 0,31antygórny dolnyd1 −½−½D = − 1 −⅓ 4–8 0,31antydolny dziwnys20 S = − 1 −⅓ 80–130 0,50antydziwny powabnyc20C = +1 +⅔+⅔ 1150–1350 1,60antypowabny niski, pięknyb30 B* = − 1 −⅓ 4100–4400 4,60antyniski wysoki, prawdziwy t30T = +1 +⅔+⅔ ± antywysoki

Model standardowy jest dobrą teorią. Eksperymenty potwierdziły jej przewidywanie wprost z niewiarygodną dokładnością i wszystkie cząstki przewidziane przez tę teorię zostały odkryte! Nie wyjaśnia ona jednak wszystkiego. Przykładowo grawitacja nie jest opisana przez Model standardowy.

23 ODDZIAŁYWANIA Wszystkie znane cząstki oddziałują poprzez cztery podstawowe oddziaływania: ELEKTROMAGNETYCZNE, SILNE, SŁABE, GRAWITACYJNE Siła tych oddziaływań dla dwóch protonów blisko siebie ( m): Silne1 Elektromagnetyczne Słabe Grawitacyjne Przy bardzo małych odległościach (wysokich energiach) - UNIFIKACJA M.A.Thomson

LHC – co to takiego?

CERN i LHC tunel LHC (długość 27 km, ok.100m pod powierzchnią ziemi) CERN/ Meyrin Lotnisko w Genewie Jezioro Genewskie

LHC w schematycznym przekroju

10 –6 s 10 –4 s 3 min 1.5 *10 9 lat Plazma K-G NukleonyJądra Atomy Dzisiaj Przyroda Eksperyment Wielki Wybuch My chcemy „cofnąć” bieg czasu...

AKCELERATOR LINIOWY

Cyklotron Na początku lat trzydziestych na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley dwaj naukowcy Ernest Orlando Lawrence ( ) i M.S Livingston skonstruowali nowy typ przyrządu służącego do przyspieszania jonów

NA POCZĄTKU LAT CZTERDZIESTYCH D.W. KERST Z UNIVERSITY OF ILLINOIS SKONSTRUOWAŁ NOWE URZĄDZENIE ROZPĘDZAJĄCE JONY - BETATRON.

TO CO NAJLEPSZE SYNCHROTRON

ZIELONA LINIA 16 METROWY AKCELERATOR LINIOWY- ENERGIA E=200MEV PURPUROWA LINIA O 300 METROWEJ ŚREDNICY SYNCHROTRON- ENERGIA 3GEV

ŚREDNICA 9KM – ENERGIA 7 TEV DWIE WIĄZKI PRZECIWBIEŻNE

Długość obwodu tunelu akceleratora m Średnia głebokość tunelu akceleratora100 m Energia protonów w wiązce7 TeV Energia jonów w wiązce2,76 TeV/nukleon Prędkość protonów w wiązce0, c Liczba protonów w wiązce2808 paczek x Liczba obiegów protonu w akceleratorze na sekundę Liczba zderzeń cząstek600 mln/s Liczba rejestrowanych zderzeń100/s Czas życia wiązki10 h Liczba elektromagnesów akceleratora9 593 Indukcja pola magnetycznego w elektromagnesach dipolowych 8,3 T Temperatura obwodów nadprzewodzących w tych elektromagnesach 1,9 K Ciśnienie w rurze wiązki atm Koszt akceleratora4,98 mld CHF Koszt detektorów i gridu (w CERN-ie)1,53 mld CHF Decyzja o budowie 1994, rozpoczęcie budowy 1998, uruchomienie 2008 Niektóre dane LHC

LHC, Large Hadron Collider - Wielki Zderzacz Hadronów

Temperatura T=1.9 K= o C Próżnia P= Tr Długość tunelu akceleratora L=27km Głębokość tunelu akc. H=100m Magnesy nadprzewodzące: Prąd elektryczny: I= A Pole magnetyczne: B=8.7 T CERN/LHC - Large Hardon Collider (Wielki Zderzacz Hadronów) W tych rurach krążą protony; ich prędkość: v= c Energia: E p =7 TeV c – prędkość światła LHC, to prawdziwa księga rekordów Guinnessa

40 Energia progowa ♦ Do produkcji stanów wielocząstkowych również potrzeba pewnej energii progowej: np produkcja antyprotonów: wymaga energii w CMS: a przy zderzaniu protonów z tarczą: jest to tzw. energia progowa na produkcję antyprotonów. ♦ Przy obliczaniu energii progowej należy uwzględnić prawa zachowania, np:

„Jeśli chcesz znaleźć się w miejscu w którym nigdy nie byłeś, musisz iść drogą, którą nigdy nie szedłeś.” Prof. B. Galwas Dlaczego właśnie w CERN?