Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie Łagodne wprowadzenie do fizyki cząstek Anna Kaczmarska IFJ PAN, Kraków Anna Kaczmarska IFJ PAN, Kraków.

Prezentacja na temat: "Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie Łagodne wprowadzenie do fizyki cząstek Anna Kaczmarska IFJ PAN, Kraków Anna Kaczmarska IFJ PAN, Kraków."— Zapis prezentacji:

1 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 1 Łagodne wprowadzenie do fizyki cząstek Anna Kaczmarska IFJ PAN, Kraków Anna Kaczmarska IFJ PAN, Kraków Bezwstydnie skorzystano z prezentacji M. Kowalskiego, Pa. Maleckiego, S. Goldfarb, K.Harder, T. Lesiaka

2 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Uwaga! To co usłyszycie może mieć wpływ na Wasze postrzeganie rzeczywistości i może zmienić Waszą wizję świata. Zapnijcie pasy, wkraczamy w świat cząstek elementarnych... Nie śpijcie! Miejcie uszy i oczy szeroko otwarte!

3 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Już od zarania dziejów ludzi nurtowały pytania: "Z czego zbudowany jest świat?" Empedokles (V w. pne.) Arystoteles Empedokles (V w. pne.) Arystoteles Demokryt (gr.) atomon = niepodzielny Z czego składa się świat?

4 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 1900 – J. J. Thomson wierzy, że atom składa się z dodatnio naładowanej kuli w którą powkładane są jak rodzynki w cieście elektrony 1869 – Mendelejew układa swoją tablicę pierwiastków. Wniosek: atomy składają się z mniejszych elementów! 1869 – Mendelejew układa swoją tablicę pierwiastków. Wniosek: atomy składają się z mniejszych elementów! Czy atom jest najmniejszą cząstką materii? 1912 – Rutherford pokazuje że atomy zawierają jądro w swoim centrum. Elektrony orbitują wokół jądra 1912 – Rutherford pokazuje że atomy zawierają jądro w swoim centrum. Elektrony orbitują wokół jądra 10 -10 m

5 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 eksperyment hipoteza rezultat (dane) analiza konkluzja: jądro atomowe! Eksperyment Rutherforda To było chyba najbardziej niewiarygodne zdarzenie w moim życiu. To tak, jakby pocisk artyleryjski wielkiego kalibru, wystrzelony w kierunku serwetki, odbił się od niej i powrócił do strzelającego. Ernest Rutherford To było chyba najbardziej niewiarygodne zdarzenie w moim życiu. To tak, jakby pocisk artyleryjski wielkiego kalibru, wystrzelony w kierunku serwetki, odbił się od niej i powrócił do strzelającego. Ernest Rutherford

6 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Planetarny model atomu wg. Rutherforda Modele atomu Widmo takiego promieniowania musiało by być ciągłe – musiałoby obejmować wszystkie częstości. A co mówi na ten temat eksperyment? Niels Bohr (1885 – 1962) Nagroda Nobla 1922 Postulaty Bohra: elektron krążąc zajmuje tylko ściśle określone orbity (brak emisji promieniowania) emisja promieniowania przy przejściu z orbity wyższej na niższą, przejście z orbity niższej na wyższą (wzbudzenie) wymaga dostarczenia określonej porcji energii Postulaty Bohra: elektron krążąc zajmuje tylko ściśle określone orbity (brak emisji promieniowania) emisja promieniowania przy przejściu z orbity wyższej na niższą, przejście z orbity niższej na wyższą (wzbudzenie) wymaga dostarczenia określonej porcji energii Oparł się na pracach Maxa Plancka: promieniowanie jest emitowane w porcjach (kwantach)

7 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Jądro zawiera protony o ładunku +e i nienaładowane neutrony. Jądro zawiera protony o ładunku +e i nienaładowane neutrony. 10 -14 m 10 -10 m Skala obrazka zła! Jeżeli protony i neutrony miałyby średnicę 10 cm, wówczas elektrony miałyby wielkość mniejszą niż 0.1 mm, a cały atom miałby średnicę około 10 km. Więcej niż 99,99% atomu to pusta przestrzeń! Skala obrazka zła! Jeżeli protony i neutrony miałyby średnicę 10 cm, wówczas elektrony miałyby wielkość mniejszą niż 0.1 mm, a cały atom miałby średnicę około 10 km. Więcej niż 99,99% atomu to pusta przestrzeń! Jądro atomowe budują dodatnio naładowane protony (doświadczenie Rutherford) i odkryte później neutrony (Chadwick, 1932) - cząstki elektrycznie obojętne. Z czego składa się jądro atomowe?

8 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Docierające do nas promieniowanie kosmiczne (głównie protony) wywołuje kaskady cząstek w atmosferze -> mogą powstawać nowe cząstki! 1932 – mamy: e -,p, n, ale czy to wszystko? Naładowane cząstki zostawiają ślady na np. kliszach fotograficznych, komorach pęcherzykowych i mgłowych. Dzięki temu można było się dowiedzieć, że elektron i proton nie są jedynymi cząstkami naładowanymi w przyrodzie! 1936 – cząstka 200 razy cięższa od elektronu – mion. I się rozpada! 1947 – długo oczekiwany pion (Yukawa, 1934) 1949 – mezony K – pierwsze cząstki dziwne (żyją stosunkowo długo i są produkowane wyłącznie w parach) itd.. Naładowane cząstki zostawiają ślady na np. kliszach fotograficznych, komorach pęcherzykowych i mgłowych. Dzięki temu można było się dowiedzieć, że elektron i proton nie są jedynymi cząstkami naładowanymi w przyrodzie! 1936 – cząstka 200 razy cięższa od elektronu – mion. I się rozpada! 1947 – długo oczekiwany pion (Yukawa, 1934) 1949 – mezony K – pierwsze cząstki dziwne (żyją stosunkowo długo i są produkowane wyłącznie w parach) itd..

9 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 -Dla każdej cząstki materii istnieje odpowiednia cząstka antymaterii (antycząstka). -Antycząstki są jak odpowiadające im cząstki materii, ale mają przeciwne ładunki -Dla każdej cząstki materii istnieje odpowiednia cząstka antymaterii (antycząstka). -Antycząstki są jak odpowiadające im cząstki materii, ale mają przeciwne ładunki e + e - elektron - cząstkapozyton - antycząstka - Przewidziana (pozyton -> anty-elektron) – Dirac 1928 - Odkryta – Anderson 1932 - Przewidziana (pozyton -> anty-elektron) – Dirac 1928 - Odkryta – Anderson 1932 Kreacja pary e+e- z fotonu Kreacja pary e+e- z fotonu I jeszcze antycząstki… Kiedy materia i antymateria się spotkają - anihilują. Ich masa zamienia się w energię według wzoru Eisteina: E = mc 2 duża liczba! Masa 1kg zawiera energię 90 milionów gigadżuli  tyle konsumuje cały świat przez 90 min Kiedy materia i antymateria się spotkają - anihilują. Ich masa zamienia się w energię według wzoru Eisteina: E = mc 2 duża liczba! Masa 1kg zawiera energię 90 milionów gigadżuli  tyle konsumuje cały świat przez 90 min skąd wiemy, że to pozytron? -> zachowuje się jak elektron, ale ma przeciwny ładunek elektryczny -> zakrzywienie toru w polu magnetycznym

10 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Wolfgang Pauli (1900 – 1958) Nagroda Nobla 1945 Zagadka rozpadu β Gdyby rozpad β wyglądał tak: Zagadka rozpadu β Gdyby rozpad β wyglądał tak: W dwuciałowym rozpadzie elektron musiałby mieć zawsze taką samą energię. 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. To nadal nie wszystko…

11 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 We wszechświecie elektrony, protony i neutrony są rzadkością! Stosunek ilości neutrin do tych cząstek jest jak miliard do jednego We wszechświecie elektrony, protony i neutrony są rzadkością! Stosunek ilości neutrin do tych cząstek jest jak miliard do jednego Neutrina Przez Wasze ciała w każdej chwili przechodzi około 30 milionów neutrin z Wielkiego Wybuchu Ale nie ma powodów do strachu! Neutrina nie zrobią nam krzywdy Nasze ciała (i Ziemia) są dla nich przezroczyste! Ale nie ma powodów do strachu! Neutrina nie zrobią nam krzywdy Nasze ciała (i Ziemia) są dla nich przezroczyste! Każdy cm 2 Ziemi jest bombardowany w każdej sekundzie przez ponad 10 miliardów (10 10 ) neutrin produkowanych przez Słońce

12 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 I wiele innych… Liczba zaobserwowanych cząstek rośnie… Badanie promieniowania kosmicznego oraz późniejszy rozwój techniki akceleratorowej zaowocował odkryciem olbrzymiej liczby cząstek Straszny bałagan! Za dużo tych cząstek, żeby były elementarne! Zauważono też pewne prawidłowości: np. masa protonu i masa neutronu są niemal identyczne, podobne własności π 0, π +, π - itd..

13 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Wszystkie hadrony (cząstki oddziaływujące silnie) można zbudować z trzech rodzajów cząstek, nazwanych kwarkami. M. Gell-Mann, G. Zweig (1964) Nagroda Nobla 1969 Zaskakującą cechą kwarków był ich ułamkowy ładunek elektryczny! u (up) – q = 2/3 d (down) – q = -1/3 s (strange) – q = -1/3 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! Pracę przyjęto w Physics Letters do druku tylko dlatego, że autorem był Gell-Mann Pracę przyjęto w Physics Letters do druku tylko dlatego, że autorem był Gell-Mann Szalony pomysł: kwarki

14 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Model kwarków przewidywał istnienie cząstki złożonej z trzech kwarków s. Cząstkę taką odkryto w BNL w 1964 r. Sukces modelu kwarków

15 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Bezpośrednie potwierdzenie istnienia kwarków dopiero w 1968 podczas eksperymentów z głęboko nieelastycznym rozpraszaniem elektronów w SLAC strzelamy elektronami w proton (podobieństwo do doświadczenia Rutherforda) przy mniejszych energiach elektrony odbijały się od protonu jak od jednorodnej elastycznej kulki. Przy wzroście energii zderzeń elektrony rozpraszają się jakby zderzały się z punktowymi obiektami wewnątrz protonu -> kwarki! Za potwierdzenie doświadczalne istnienia kwarków Henry Kendall, Jerome I. Friedman i Richard E. Taylor otrzymali w 1990 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Bezpośrednie potwierdzenie istnienia kwarków dopiero w 1968 podczas eksperymentów z głęboko nieelastycznym rozpraszaniem elektronów w SLAC strzelamy elektronami w proton (podobieństwo do doświadczenia Rutherforda) przy mniejszych energiach elektrony odbijały się od protonu jak od jednorodnej elastycznej kulki. Przy wzroście energii zderzeń elektrony rozpraszają się jakby zderzały się z punktowymi obiektami wewnątrz protonu -> kwarki! Za potwierdzenie doświadczalne istnienia kwarków Henry Kendall, Jerome I. Friedman i Richard E. Taylor otrzymali w 1990 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Sukces modelu kwarków Początkowo postulowana ilość kwarków (3: u, d, s) urosła szybko do 6 ze względu na potrzeby symetrii i budulca dla znanych hadronów. Ostatni z kwarków – kwark top (o masie niemal atomu złota!) został odkryty dopiero w 1995 roku na Tevatronie. Początkowo postulowana ilość kwarków (3: u, d, s) urosła szybko do 6 ze względu na potrzeby symetrii i budulca dla znanych hadronów. Ostatni z kwarków – kwark top (o masie niemal atomu złota!) został odkryty dopiero w 1995 roku na Tevatronie.

16 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 10 -15 m Neutrony i protony zawierają tzw. kwarki (<10 -18 m) Neutrony i protony zawierają tzw. kwarki (<10 -18 m) 2323 e + 1313 e - Czyli protony i neutrony nie są elementarne! proton (ładunek +1)neutron (ładunek 0) ud d uu d

17 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 protonneutron Elektron Z czego zbudowany jest wszechświat? Czyli cały obecny wszechświat jest zbudowany tylko z tych 2 kwarków i elektronów (i neutrin)

18 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016  ---- c s  ---- t b Zwykła materiaPromieniowanie kosmiczne Akceleratory Pierwsza generacjaDruga generacjaTrzecia generacja 3 generację są we wszystkim bardzo podobne, ale nie w masie! -1/3 +2/3 e e-e-e-e- u d -1/3 +2/3 00 0 Trzy Rodziny lub Generacje Cała widzialna materia złożona jest z cząstek pierwszej generacji. Cząstki 2 i 3 generacji są niestabilne i rozpadają się na cząstki pierwszej generacji. Do zbudowania wszystkich zaobserwowanych cząstek potrzeba tylko 6 kwarków i 6 leptonów Cała widzialna materia złożona jest z cząstek pierwszej generacji. Cząstki 2 i 3 generacji są niestabilne i rozpadają się na cząstki pierwszej generacji. Do zbudowania wszystkich zaobserwowanych cząstek potrzeba tylko 6 kwarków i 6 leptonów masa

19 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Występują cztery rodzaje fundamentalnych oddziaływań pomiędzy cząstkami i wszystkie siły oraz zjawiska fizyczne występujące w naszym świecie mogą być przypisane tym czterem oddziaływaniom. Wszystkie te oddziaływania są wynikiem wymiany cząstek przenoszących oddziaływanie (kwantów pola), które są zupełnie innym rodzajem cząstek niż leptony i kwarki. Ale co scala te składniki materii?

20 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Jak przenoszone są oddziaływania Analogia: rzucenie piłki przez jedną osobę i pochwycenie jej przez drugą Zasięg oddziaływania związany jest z masą cząstki będącej jego nośnikiem Na tym koniec analogii: w opisie klasycznym piłka istnieje a nośnik oddziaływania jest wirtualny (krótkożyciowy, powstały z „pożyczonej” energii) Energia nie zachowana? Ale zgodnie z Zasadą Nieoznaczoności Heisenberga jeśli czas trwania procesu jest niezwykle krotki, to nieokreśloność energii może być bardzo duża: Cząstki wirtualne istnieją przez tak krótki czas, ze nie mogą nigdy zostać zaobserwowane. Mierzalny jest jedynie efekt oddziaływania – np. zmiany pędu obiektów między którymi doszło do wymiany cząstki Analogia: rzucenie piłki przez jedną osobę i pochwycenie jej przez drugą Zasięg oddziaływania związany jest z masą cząstki będącej jego nośnikiem Na tym koniec analogii: w opisie klasycznym piłka istnieje a nośnik oddziaływania jest wirtualny (krótkożyciowy, powstały z „pożyczonej” energii) Energia nie zachowana? Ale zgodnie z Zasadą Nieoznaczoności Heisenberga jeśli czas trwania procesu jest niezwykle krotki, to nieokreśloność energii może być bardzo duża: Cząstki wirtualne istnieją przez tak krótki czas, ze nie mogą nigdy zostać zaobserwowane. Mierzalny jest jedynie efekt oddziaływania – np. zmiany pędu obiektów między którymi doszło do wymiany cząstki

21 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Powoduje, że jabłko spada na ziemię, łączy materię w planetach i gwiazdach, łączy gwiazdy w galaktyki. Model Standardowy nie opisuje tego oddziaływania (brak kwantowej teorii pola) ! Na szczęście efekty grawitacji są znikome na poziomie cząstek elementarnych. Powoduje, że jabłko spada na ziemię, łączy materię w planetach i gwiazdach, łączy gwiazdy w galaktyki. Model Standardowy nie opisuje tego oddziaływania (brak kwantowej teorii pola) ! Na szczęście efekty grawitacji są znikome na poziomie cząstek elementarnych. Hipotetyczną cząstką przenoszącą oddziaływania grawitacyjne byłby grawiton Oddziaływanie grawitacyjne

22 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Oddziaływanie pomiędzy naładowanymi elektrycznie ciałami. Oddziaływanie pomiędzy naładowanymi elektrycznie ciałami. Pozwala atomom na wiązanie i formowanie cząsteczek, dzięki czemu świat może być utrzymywany w całości oraz mogło dojść do stworzenia materii. Nośnikiem siły elektromagnetycznej jest foton. Fotony o różnych energiach tworzą widmo fal elektromagnetycznych: promieni rentgenowskich, światła widzialnego, fal radowych, itd. Fotony mają zerową masę, zerowy ładunek elektryczny i podróżują z „prędkością światła” w próżni. Nośnikiem siły elektromagnetycznej jest foton. Fotony o różnych energiach tworzą widmo fal elektromagnetycznych: promieni rentgenowskich, światła widzialnego, fal radowych, itd. Fotony mają zerową masę, zerowy ładunek elektryczny i podróżują z „prędkością światła” w próżni. Oddziaływanie Elektromagnetyczne

23 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Cząstki przenoszące oddziaływanie słabe to: bozony W +, W - i Z. Cząstki W są naładowane elektrycznie, podczas gdy cząstka Z jest elektrycznie obojętna. Oddziaływania słabe są odpowiedzialne za rozpad ciężkich kwarków i leptonów na lżejsze kwarki i leptony (np. promieniotwórczy rozpad beta) Jedyna stabilna materia otaczającego nas świata zbudowana jest z najmniejszych kwarków i leptonów, które nie mogą się już dalej rozpaść. Oddziaływanie Słabe Neutron (swobodny) żyje ok. 15 min To prawie „wieczność” w świecie cząstek elementarnych!  oddziaływania “słabe” Procesy „słabe” = małe prawdopodobieństwo, więc „powoli” zachodzą. Dlatego Słońce świeci od 5 miliardów lat i rozwinęło się życie!

24 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Jądro atomowe składa się ze stłoczonych w małej objętości protonów. To oddziaływania silne sprawiają, że jądro nie rozpada się! Jądro atomowe składa się ze stłoczonych w małej objętości protonów. To oddziaływania silne sprawiają, że jądro nie rozpada się! Oddziaływanie silnie zespala kwarki, które tworzą hadrony (protony, neutrony). Cząstki nośnika siły nazwano gluonem ponieważ pełni on rolę bardzo mocnego kleju zespalającego kwarki * Uwaga: gluon (odwrotnie niż foton) oddziałuje silnie! Oddziaływanie silnie zespala kwarki, które tworzą hadrony (protony, neutrony). Cząstki nośnika siły nazwano gluonem ponieważ pełni on rolę bardzo mocnego kleju zespalającego kwarki * Uwaga: gluon (odwrotnie niż foton) oddziałuje silnie! Z powodu właściwości oddziaływań silnych kwarki nie mogą występować pojedynczo. Dlatego też są one uwięzione w grupach (hadronach) wraz z innymi kwarkami. Oddziaływanie Silne Oddziaływanie silne rośnie wraz ze wzrostem odległości między kwarkami. Jeśli odległość/energia stanie się wystarczająco duża, mogą powstać nowe kwarki

25 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Istnieje ważny podział cząstek, ze względu na wartość ich spinu Spin - moment pędu cząstki wynikający z jej natury kwantowej każdy rodzaj cząstek elementarnych ma właściwy sobie spin. Cząstki złożone (np. jądra atomów) mają spin będący sumą wektorową spinów wchodzących w skład jego cząstek elementarnych Spin cząstki może być całkowitą lub połówkową wielokrotnością stałej Plancka Cząstki o spinie połówkowym to fermiony (składniki materii) Cząstki o spinie całkowitym to bozony (nośniki oddziaływań) Fermiony nie lubią się nawzajem – tzw. Zakaz Pauliego wyklucza istnienie dwóch fermionów w identycznym stanie kwantowym (stąd pomysł koloru itp.) Bozony – odwrotnie, nie podlegają zakazowi Pauliego Istnieje ważny podział cząstek, ze względu na wartość ich spinu Spin - moment pędu cząstki wynikający z jej natury kwantowej każdy rodzaj cząstek elementarnych ma właściwy sobie spin. Cząstki złożone (np. jądra atomów) mają spin będący sumą wektorową spinów wchodzących w skład jego cząstek elementarnych Spin cząstki może być całkowitą lub połówkową wielokrotnością stałej Plancka Cząstki o spinie połówkowym to fermiony (składniki materii) Cząstki o spinie całkowitym to bozony (nośniki oddziaływań) Fermiony nie lubią się nawzajem – tzw. Zakaz Pauliego wyklucza istnienie dwóch fermionów w identycznym stanie kwantowym (stąd pomysł koloru itp.) Bozony – odwrotnie, nie podlegają zakazowi Pauliego Fermiony i bozony

26 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 wrzesień 2010 26 Problem: kwarki mają spin +-½, są fermionami. Ale: Np. Δ++ = uuu czy Ω- = sss ma s=3/2 => 3 kwarki w takim samym stanie => naruszenie zakazu Pauliego Rozwiązanie: kwarki mają dodatkową własność, ładunek kolorowy Problem: kwarki mają spin +-½, są fermionami. Ale: Np. Δ++ = uuu czy Ω- = sss ma s=3/2 => 3 kwarki w takim samym stanie => naruszenie zakazu Pauliego Rozwiązanie: kwarki mają dodatkową własność, ładunek kolorowy Każdy kwark może występować w jednym z trzech kolorów. u u u Antykwark niesie antykolor. u u u ‾ ‾ ‾ Oddziaływania przenoszą gluony. Niosą antykolor i kolor. Cząstki swobodne są „białe”. Problemy z fermionami i kolor proton u u pion  Bariony (trzy kwarki: czerwony+ zielony + niebieski = biały) Mezony (para kwark-antykwark) np. czerwony + antyczerwony

27 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Diagramy Feynmana Diagramy Feynmana to graficzne przedstawienie oddziaływań między cząstkami Ilustrują w prostszy sposób skomplikowane procesy, co ułatwia obliczenie prawdopodobieństwa ich występowania Każdy diagram można wyrazić poprzez „odpowiednie równania” opisujące sposób ilościowy wyznaczenia amplitudy prawdopodobieństwa dla danego diagramu Każdemu z symboli graficznych na diagramie Feynmana odpowiada czynnik (na ogół macierzowy) umożliwiający skonstruowanie wyrażenia analitycznego na amplitudę prawdopodobieństwa dla danego procesu Diagramy Feynmana to graficzne przedstawienie oddziaływań między cząstkami Ilustrują w prostszy sposób skomplikowane procesy, co ułatwia obliczenie prawdopodobieństwa ich występowania Każdy diagram można wyrazić poprzez „odpowiednie równania” opisujące sposób ilościowy wyznaczenia amplitudy prawdopodobieństwa dla danego diagramu Każdemu z symboli graficznych na diagramie Feynmana odpowiada czynnik (na ogół macierzowy) umożliwiający skonstruowanie wyrażenia analitycznego na amplitudę prawdopodobieństwa dla danego procesu Każdemu oddziaływaniu odpowiada nieskończona liczba diagramów, jednak w praktyce stosuje się przybliżenie polegające na rozpatrzeniu dominujących (tj. o minimalnej liczbie wierzchołków) grafów. Procesy reprezentowane przez diagramy o większej niż minimalna liczbie wierzchołków nazywa się poprawkami promienistymi.poprawkami promienistymi. cząstki wirtualne emitowane bądź pochłaniane w oddziaływaniu cząstki padające i rejestrowane w oddziaływaniu elementarne akty oddziaływania, odpowiadające im formuły matematyczne zależą od rodzaju oddziaływania

28 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Każdy wierzchołek, to mnożenie przez stałą sprzężenia będącą miarą siły oddziaływania w QED α = e 2 /2hε = 1/137. Im „wyższy” graf, tym większa potęga α. To rachunek zaburzeń! Do wyznaczenia przekroju czynnego na jakiś proces musimy narysować wszystkie możliwe diagramy i zsumować wszystkie przyczynki (liczba składników zależy od precyzji jaka chcemy osiągnąć) Każdy wierzchołek, to mnożenie przez stałą sprzężenia będącą miarą siły oddziaływania w QED α = e 2 /2hε = 1/137. Im „wyższy” graf, tym większa potęga α. To rachunek zaburzeń! Do wyznaczenia przekroju czynnego na jakiś proces musimy narysować wszystkie możliwe diagramy i zsumować wszystkie przyczynki (liczba składników zależy od precyzji jaka chcemy osiągnąć) Diagramy Feynmana  1/2 Proces w najniższym rzędzie (Leading Order, LO) Proces w wyższym (pierwszym) rzędzie (Next-to- Leading Order, NLO) Każdy następny rząd jest słabszy od poprzedniego – wyższa potęga stałej sprzężenia Proces w wyższym (pierwszym) rzędzie (Next-to- Leading Order, NLO) Każdy następny rząd jest słabszy od poprzedniego – wyższa potęga stałej sprzężenia

29 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Diagramy Feynmana: przykłady WW d d d u u u

30 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Oddziaływania - podsumowanie

31 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Materia 6 kwarków 6 leptonów Zgrupowanych w 3 generacje Oddziaływania Elektromagnetyczne:  (photon) Słabe: - Z 0, W ± Silne - g (gluon) Materia 6 kwarków 6 leptonów Zgrupowanych w 3 generacje Oddziaływania Elektromagnetyczne:  (photon) Słabe: - Z 0, W ± Silne - g (gluon) Nie ma grawitacji! Model Standardowy Jak dotąd nie stwierdzono odstępstw przewidywań teoretycznych tej teorii od obserwacji doświadczalnych!

32 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 X

33 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Model Standardowy a problem masy Podstawowe równania opisujące Model Standardowy wymagają, żeby wszystkie cząstki elementarne (w tym cząstki pośredniczące) były bezmasowe Ale my obserwujemy coś innego np. masa cząstek W i Z jest 100 razy większa niż protonu i 100 000 razy większa niż masa elektronu nie moglibyśmy istnieć gdyby cząstki elementarne były bezmasowe Podstawowe równania opisujące Model Standardowy wymagają, żeby wszystkie cząstki elementarne (w tym cząstki pośredniczące) były bezmasowe Ale my obserwujemy coś innego np. masa cząstek W i Z jest 100 razy większa niż protonu i 100 000 razy większa niż masa elektronu nie moglibyśmy istnieć gdyby cząstki elementarne były bezmasowe

34 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Aby ratować Model Standardowy kilku fizyków, w tym Peter Higgs, w roku 1964 zaproponowali mechanizm, który pozwalał cząstkom zyskać masę Wprowadzono koncepcję pola, wypełniającego całą przestrzeń, pola Higgsa, które poprzez oddziaływanie z cząstkami nadaje im masę Różne masy cząstek są miarą ich oddziaływania z polem Higgsa im silniejsze jest oddziaływanie tym większą masę uzyskuje cząstka (a np. fotony nie oddziaływują z H i pozostaja bezmasowe) Dowodem na istnienie pola Higgsa byłaby cząstka Higgsa fizycy spędzili wiele lat na poszukiwaniu śladów istnienia tej hipotetycznej cząstki –Świętego Graala fizyki wysokich energii Aby ratować Model Standardowy kilku fizyków, w tym Peter Higgs, w roku 1964 zaproponowali mechanizm, który pozwalał cząstkom zyskać masę Wprowadzono koncepcję pola, wypełniającego całą przestrzeń, pola Higgsa, które poprzez oddziaływanie z cząstkami nadaje im masę Różne masy cząstek są miarą ich oddziaływania z polem Higgsa im silniejsze jest oddziaływanie tym większą masę uzyskuje cząstka (a np. fotony nie oddziaływują z H i pozostaja bezmasowe) Dowodem na istnienie pola Higgsa byłaby cząstka Higgsa fizycy spędzili wiele lat na poszukiwaniu śladów istnienia tej hipotetycznej cząstki –Świętego Graala fizyki wysokich energii Cząstka Higgsa

35 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Jak działa pole Higgsa Aby zrozumieć działanie pola Higgsa, wyobraźcie sobie, że pokój pełen spokojnie gawędzących fizyków jest jak przestrzeń wypełniona polem Higgsa...

36 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Jak działa pole Higgsa Znany naukowiec wchodzi do pokoju zakłócając panujący w nim spokój. Z każdym krokiem przyciąga grupkę swoich wielbicieli. Znany naukowiec wchodzi do pokoju zakłócając panujący w nim spokój. Z każdym krokiem przyciąga grupkę swoich wielbicieli.

37 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Jak działa pole Higgsa Zwiększa to opór jego ruchu. Innymi słowy nabywa on masy, podobnie jak cząstki przemierzające pole Higgsa... Zwiększa to opór jego ruchu. Innymi słowy nabywa on masy, podobnie jak cząstki przemierzające pole Higgsa...

38 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Typowe energie w procesach atomowych (reakcje chemiczne lub emisja światła) są rzędu kilku eV. Energie w procesach jądrowych (jak rozpady radioaktywne) są rzędu 1 miliona elektronowoltów (1 MeV). Wielki Zderzacz Hadronow LHC w CERNie przyspiesza protony do energii 6.5 trylionów elektronowoltów - 7 TeV (1 TeV =10 12 eV). Typowe energie w procesach atomowych (reakcje chemiczne lub emisja światła) są rzędu kilku eV. Energie w procesach jądrowych (jak rozpady radioaktywne) są rzędu 1 miliona elektronowoltów (1 MeV). Wielki Zderzacz Hadronow LHC w CERNie przyspiesza protony do energii 6.5 trylionów elektronowoltów - 7 TeV (1 TeV =10 12 eV). Jednostka energii [E] = 1 eV (elektronowolt) energia jaką elektron zyskuje będąc przyspieszany przez różnicę potentciału 1 Wolta (w próżni) 1 eV to około 1.602 x 10 -19 J Jednostka energii [E] = 1 eV (elektronowolt) energia jaką elektron zyskuje będąc przyspieszany przez różnicę potentciału 1 Wolta (w próżni) 1 eV to około 1.602 x 10 -19 J Masę cząstek mierzymy w mega- lub gigaelektronowoltach (MeV/c² GeV/c²). jak energię w związku z równoważnością masy i energii (E=mc²) 1 GeV/c² (masa protonu) ≈ 1,8 × 10 -27 kg. Masę cząstek mierzymy w mega- lub gigaelektronowoltach (MeV/c² GeV/c²). jak energię w związku z równoważnością masy i energii (E=mc²) 1 GeV/c² (masa protonu) ≈ 1,8 × 10 -27 kg. Jednostki używane w fizyce wysokich energii 1 Wolt e-e-

39 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Kiedy zderzamy cząstki w akceleratorze, przy odpowiednio wysokiej energii zderzenia może powstać cząstka Higgsa Wyprodukowana cząstka Higgsa rozpadnie się natychmiast na inne cząstki, które zarejestrujemy w detektorze znając właściwości zarejestrowanych cząstek z rozpadu cząstki Higgsa możemy obliczyć jego masę Kiedy zderzamy cząstki w akceleratorze, przy odpowiednio wysokiej energii zderzenia może powstać cząstka Higgsa Wyprodukowana cząstka Higgsa rozpadnie się natychmiast na inne cząstki, które zarejestrujemy w detektorze znając właściwości zarejestrowanych cząstek z rozpadu cząstki Higgsa możemy obliczyć jego masę Gdzie szukać cząstki Higgsa? Higgs Z Z Anty mion Mion Anty mion

40 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Jak szukać cząstki Higgsa? To nie takie łatwe bo: jej produkcja to rzadki proces: 1 cząstka Higgsa na 10 mld zderzeń proton-proton inne procesy zachodzą dużo częściej i łatwo je pomylić w detektorze z rozpadami cząstki Higgsa Rozróżnienie pomiędzy cząstkami pochodzącymi z rozpadu cząstki Higgsa, a tymi z innych procesów to duże wyzwanie dla fizyków! To nie takie łatwe bo: jej produkcja to rzadki proces: 1 cząstka Higgsa na 10 mld zderzeń proton-proton inne procesy zachodzą dużo częściej i łatwo je pomylić w detektorze z rozpadami cząstki Higgsa Rozróżnienie pomiędzy cząstkami pochodzącymi z rozpadu cząstki Higgsa, a tymi z innych procesów to duże wyzwanie dla fizyków! 40/42

41 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Wyniki 30 letnich poszukiwań masa cząstki Higgsa Status z 2009 – przed LHC LEP (e + e -, 1989-2000) [energia wiązki 100 GeV] bezpośrednia obserwacja masa Higgs >114.1 GeV LEP (e + e -, 1989-2000) [energia wiązki 100 GeV] bezpośrednia obserwacja masa Higgs >114.1 GeV Żaden eksperyment przed LHC nie znalazł cząstki Higgsa. Wykluczono natomiast możliwość jej zaobserwowania w pewnych obszarach masy Tevatron (p, anty-p, 1983-2011) [energia wiązki 1TeV] bezpośrednia obserwacja masa Higgs <156 GeV lub masa Higgs >177 GeV Tevatron (p, anty-p, 1983-2011) [energia wiązki 1TeV] bezpośrednia obserwacja masa Higgs <156 GeV lub masa Higgs >177 GeV LEP +Tevatron pośrednia obserwacja masa Higgs <186 GeV LEP +Tevatron pośrednia obserwacja masa Higgs <186 GeV

42 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 4 lipca 2012 roku na konferencji prasowej zorganizowanej w CERNie ogłoszono, że dwa eksperymenty, ATLAS i CMS zaobserwowały nową cząstkę o masie około 125 GeV. Cząstka ta okazała się długo poszukiwaną cząstka Higgsa! 4 lipca 2012 roku na konferencji prasowej zorganizowanej w CERNie ogłoszono, że dwa eksperymenty, ATLAS i CMS zaobserwowały nową cząstkę o masie około 125 GeV. Cząstka ta okazała się długo poszukiwaną cząstka Higgsa! Nowa cząstka! 42/42

43 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Przekrój czynny – „prawdopodobieństwo” wystąpienia danego procesu. Produkcja Higgsa na LHC

44 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Dobra precyzja pomiaru masy H → γγ : rzadki, S/B < 1 H → ZZ* → 4l : b. rzadki, S/B >> 1 Dobra precyzja pomiaru masy H → γγ : rzadki, S/B < 1 H → ZZ* → 4l : b. rzadki, S/B >> 1 Na co zwracamy uwagę w analizie danego „kanału”: + jak precyzyjny pomiar masy + jaka czystość próbki: sygnał / tło (S/B) + jak częsty proces Na co zwracamy uwagę w analizie danego „kanału”: + jak precyzyjny pomiar masy + jaka czystość próbki: sygnał / tło (S/B) + jak częsty proces Średnia precyzja pomiaru masy H → bb : częsty, S/B << 1 H → ττ : częsty, S/B < 1 Mała precyzja pomiaru masy H → WW* → 2l 2νν : b. częsty, S/B < 1 Mała precyzja pomiaru masy H → WW* → 2l 2νν : b. częsty, S/B < 1 Rozpady Higgsa

45 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Ewidencja na istnienie bozonu Higgsa: H → ZZ* → 4l Ewidencje na istnienie bozonu Higgsa: H → γγ

46 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Odkrycie bozonu Higgsa domyka Model Standardowy jako dobrą, efektywną teorię opisującą świat cząstek ale… znamy mechanizm generowania masy, ale nie potrafimy obliczyć mas kwarkow i leptonow Wiemy jednak, że nie jest on doskonały, gdyż: Posiada zbyt wiele parametrów doświadczalnych (19) – to mało eleganckie... Pojawia się problem precyzyjnego dostrojenia wielu bardzo różnych parametrów, mas i stałych sprzężeń… W dodatku nie odpowiada na ważne pytania takie jak np.: Model Standardowy – blaski i cienie

47 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Gdzie podziała się antymateria? 10,000,000,000

48 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Astronomia mówi nam, że: Normalna, widzialna materia (gaz intergalaktyczny, gwiazdy, mgławice, planety, my...) to tylko 5% wszechświata! Reszta to ciemna materia (25%) – jej obecność stwierdzamy poprzez jej wpływ na ruchy gwiazd i galaktyk; I ciemna energia (70%) – z przyspieszającej ekspansji Wszechświata; związaną jest z „tajemniczą siłą odpychania“ działającą przeciwnie jak grawitacja Astronomia mówi nam, że: Normalna, widzialna materia (gaz intergalaktyczny, gwiazdy, mgławice, planety, my...) to tylko 5% wszechświata! Reszta to ciemna materia (25%) – jej obecność stwierdzamy poprzez jej wpływ na ruchy gwiazd i galaktyk; I ciemna energia (70%) – z przyspieszającej ekspansji Wszechświata; związaną jest z „tajemniczą siłą odpychania“ działającą przeciwnie jak grawitacja Ciemna materia? Czyli po ponad 100 latach badania naszego Wszechświata rozumiemy tylko jego 5%!

49 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Czym jest ciemna materia? “scząstki” Kandydat: cząstki supersymetryczne

50 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 50 electromagnetism grawitacja A co z grawitacja? Dlaczego grawitacja jest tak słaba w porównaniu z innymi oddziaływaniami? Bo nasza czasoprzestrzeń ma więcej niż 4-wymiary? I grawitacja działa w dodatkowych wymiarach, szczątkowo dając o sobie znać w dobrze nam znanej czasoprzestrzeni. We wszystkich tego rodzaju teoriach pojawiają się dodatkowe cząstki, a także inne egzotyczne obiekty jak np. mini czarne dziury, które w powinny dać o sobie znać gdy hipoteza dodatkowych wymiarów jest prawdziwa W taki, trochę pośredni sposób, dowiedzielibyśmy się czemu grawitacja jest słaba, a tak że jaka teoria z dodatkowymi wymiarami opisuje zaobserwowane efekty

51 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Słabe Silne Grawitacja Elektro- magnetyczne Zunifikowane oddziaływanie Prace nad prostą i elegancką teoria wciąż trwają Teoria wielkiej unifikacji – Teoria Wszystkiego Znane nam oddziaływania mają różną silę i efekty. Zgodnie z teoria wielkiej unifikacji przy dostatecznie dużych energiach wszystkie rodzaje oddziaływania nie byłyby od siebie różne, stanowiąc przejaw istnienia jednej, bardziej od nich podstawowej siły fizycznej. Znane nam oddziaływania mają różną silę i efekty. Zgodnie z teoria wielkiej unifikacji przy dostatecznie dużych energiach wszystkie rodzaje oddziaływania nie byłyby od siebie różne, stanowiąc przejaw istnienia jednej, bardziej od nich podstawowej siły fizycznej.

52 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Najbardziej znany kandydat na Teorię Wszystkiego to Teoria Strun pogodzenie mechaniki kwantowej z grawitacją! Podstawowe cegiełki to nie punktowe cząstki lecz 1-wymiarowe struny oraz wyżej wymiarowe obiekty (p-brany) Emisja lub absorpcja jednej cza ̨ stki przez drugą odpowiada rozdzieleniu lub poła ̨ czeniu końców strun. Kaz ̇ demu drganiu struny odpowiada cza ̨ stka i z odległosci obserwujemy taka ̨ strunę jako punktową cza ̨ stkę Teorie strun moz ̇ na konstruowac jedynie dla 9(10) wymiarow przestrzennych i jednego czasowego W wyniku przejscia fazowego ze spontanicznym łamaniem symetrii, nasze trzy wymiary przestrzenne uległy rozdęciu, a pozostałe wymiary pozostały mikroskopowe i silnie zakrzywione. Teoria ta jest "absolutnie bezpieczna", jako że nie ma żadnego sposobu, by ją zweryfikować i ewentualnie obalić Teoria Strun

53 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Kilku zadziwiających rzeczy: – Żeby zbudować cały nasz wszechświat potrzebujemy zaledwie 4 oddziaływań i 12 cząstek materii – Teoria opisująca te oddziaływania i cząstki, zwana Modelem Standardowym doskonale opisuje wszystkie zaobserwowane zjawiska świata cząstek – Ale wiemy, że nie na wszystkie pytania mamy odpowiedzi: brakująca antymateria, ciemna materia, unifikacja oddziaływań itd. – Poszukiwania odpowiedzi trwają! Może to właśnie WY znajdziecie rozwiązanie! Kilku zadziwiających rzeczy: – Żeby zbudować cały nasz wszechświat potrzebujemy zaledwie 4 oddziaływań i 12 cząstek materii – Teoria opisująca te oddziaływania i cząstki, zwana Modelem Standardowym doskonale opisuje wszystkie zaobserwowane zjawiska świata cząstek – Ale wiemy, że nie na wszystkie pytania mamy odpowiedzi: brakująca antymateria, ciemna materia, unifikacja oddziaływań itd. – Poszukiwania odpowiedzi trwają! Może to właśnie WY znajdziecie rozwiązanie! Czego się nauczyliśmy NOT

54 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016

55 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Dodatkowe slajdy dla ciekawskich Dodatkowe slajdy dla ciekawskich

56 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016

57 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 57 Tom Hanks Question If all the antimatter being produced in the ATLAS Experiment were somehow put into his cup, it would raise the temperature about 1° C (2 F°) per hour. But of course it would cool by about 10° during that hour. When Tom Hanks visited ATLAS at CERN, he asked about what would keep his coffee cup warm.

58 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 The Accelerating Universe Recent experiments which look at Type Ia SuperNovae, showed that the Universe is still expanding, and that the expansion rate is increasing This acceleration must be guided by a new mechanism which has been called DARK ENERGY

59 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 Rozwiązanie? Próba odtworzenia Wielkiego Wybuchu! Jak? Akceleratory!

60 Anna Kaczmarska, IFJ PANPraktyki studenckie 2016 7 lipca 2015Fizyka Wysokich Energii60 Liczba generacji