FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Prezentacja na temat: "FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych"— Zapis prezentacji:

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

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

3 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)

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

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

6 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:

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

8 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

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

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

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

12 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

13 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 (,  )

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

15 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)

16 0 w komorze pęcherzykowej
 + Xe   0   +  T = 3.5 GeV

17 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  =  10-9 s

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

19 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’

20 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

21 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 < 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 < 0.19 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 < 18.2 PPb 2002 Cząstki z różnych rodzin różnią się zapachem.

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

23 Bariony Większość masy hadronu to energia wiązania kwarków.

24 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)

25 Mezony

26 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.

27 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

28 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

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

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

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

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

33 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

34 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)

35

36 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.

37 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

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

39 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.

40 Oddziaływania Literatura:
grawit. elektrosłabe silne (kolorowe) grawiton (?) masa [GeV] ładunek γ W+ W- Zo g - gluon superoktet SU(3) 8 stanów koloru Literatura: L. Lederman „Boska cząstka”