Strzałka czasu w rozpadach kwarków i antykwarków

Prezentacja na temat: "Strzałka czasu w rozpadach kwarków i antykwarków"— Zapis prezentacji:

1 Strzałka czasu w rozpadach kwarków i antykwarków
P. Żenczykowski IFJ PAN Dzień Otwarty

2 1. Czas w równaniach teorii oddziaływań
Grawitacja (Newton, Einstein) Elektromagnetyzm (Coulomb, Maxwell) fizyka atomowa (Schrődinger) Symetria równań w makroświecie: t → -t Czy w oddziaływaniach świata mikroskopowego jest też taka symetria równań? Oddziaływania silne (jądrowe) w jądrach atomowych – tak (Wiązanie protonów i neutronów w jądrze)

3 p 2. Inne “odbicia” W czasie: t → -t T
W przestrzeni: x→-x, y→-y, z→-z P LEWE PRAWE Cząstka ↔ antycząstka C Elektron e- ↔ pozyton e+ ; Proton p ↔ antyproton p

4 C P T CP zamiast T t (nie potrafimy zmieniać kierunku x biegu czasu)

5 3. Sprawdzenie symetrii T w oddziaływaniach cząstek elementarnych
Porównujemy: 1) proces z udziałem cząstek 2) proces w którym cząstki zastąpiono przez antycząstki (C) obserwowany w lustrze (P) A) Jeśli 1) i 2) wyglądają tak samo to mamy symetrię CP, czyli T Nie ma rozróżnienia między t i -t B) Jeśli 1) i 2) nie wyglądają tak samo to symetria CP (czyli T) jest łamana Jest rozróżnienie między t i -t W przypadku B) jeden z dwóch kierunków czasu jest wyróżniony Możemy wtedy powiedzieć, że w oddziaływaniach w mikroświecie jest wyróżniona STRZAŁKA CZASU

6 4. Łamanie symetrii i zasady zachowania
Badanie łamania symetrii przy odbiciu w czasie można robić więc poprzez porównanie ciągu procesów dla cząstek i antycząstek: a  b  c  d  … z lustrzanym odbiciem ciągu Trzeba patrzeć, czy na którymś etapie ciągu nie pojawi się różnica (np. gdyby zamiast c pojawiło się c’) Jeśli jest symetria T, to na każdym etapie różnica będzie ZERO Czyli pewna wielkość (tu: różnica) ZACHOWUJE się w czasie Wielkościami zachowującymi się w czasie są np. Ładunek, pęd, energia,… (Te wielkości zachowują się zawsze, tak w świecie makroskopowym, jak i w świecie mikroskopowym) Ale być może istnieją wielkości, które zachowują się w świecie makroskopowym, ale nie zachowują się w świecie mikroskopowym?

7 5. Eksperyment – zasada zachowania pędu
Coś tak szokującego o oddziaływaniach mikroświata odkryto w roku 1964, w zachowaniu pewnych cząstek elementarnych, tzw. kaonów. SZOK! Odkryto, że cząstki i antycząstki w lustrze zachowują się INACZEJ

8 6. Strzałki czasu Kosmologiczna (Wielki Wybuch)
Elektromagnetyczna (są fale rozchodzące się, nie ma fal schodzących się Przepływ ciepła (od ciepłego do zimnego) Od porządku do nieporządku (np. rozbicie wazonu) … W rozpadach kaonów (mikroświat, kwarki i antykwarki) (Między niektórymi tymi strzałkami da się ustalić związek)

9 7. Kwarki i antykwarki ↑ Q = 0 ↑ C Masa/ masa protonu 0.01 0.15 5.0
d s b antykwarki Q = +1/3 Masa/ masa protonu 0.005 1.4 170. kwarki Q = +2/3 u c t antykwarki Q = -2/3 C down, strange, bottom dolny,dziwny,spodni up, charm, top górny, powabny, wierzchni u u d Mezony K, kaony Proton Q = +1 u d d s s d Mezony p u u d Antyproton Q = – 1 d u K0 K0 ↑ Q = 0 ↑

10 8. Rozpady kaonów – oddziaływania słabe
W oddziaływaniach grawitacyjnych, elektromagnetycznych i jądrowych kwarki się nie zmieniają: u  u  u  … uu  energia ds  ds  ds  … d  d  d  … W tzw. oddziaływaniach słabych może nastąpić rozpad kaonu: Masa 0.5 ds  dd + energia  du + ud = 2 mezony p = 0.28 = 0.42 4 * 0.14 = 0.56 > 0.5 ds  3 mezony p, 4 mezony p Tzn. kwarki zmieniają się jedne w drugie (Całkowity ładunek nie zmienia się) Silne: 1-10 Elektromagnetyczne: 1/100 Dlaczego “słabe”? Słabe: ~ 1/ Słabe rozpady zachodzą więc BARDZO RZADKO

11 Odbicie w przestrzeni P: sd K0
2 a  -a 1 b b  -b K0 1 2 Cząstka  antycząstka C a ds   a  b  a CP: a  – b, b  – a CP: a + b  – b – a = – (a + b) to samo, zmieniony znak (antysymetria) CP: a – b  – b + a = + (a – b) to samo, ten sam znak (symetria) a – b Nowe wektory bazy a + b

12 Spodziewana symetria t  – t w oddziaływaniach słabych
Oddz. słabe: ds  du + ud = 2 mezony p sd  du + ud = 2 mezony p ds  sd Tzn. oddz. słabe zmienia jeden mezon K w drugi: a  b Wtedy: a – b  b – a, a + b  b + a, Kierunki (z dokł. do znaku) nie ulegaja zmianie (Zachowują się) Oznaka SYMETRII t  – t Masa p = 0.14 Gdyby masa p = 0,17 to 3 p cięższe niż K (masa = 0.50) – rozpad byłby niemożliwy Podobnie można pokazać, że dwa mezony p zachowują się jak a trzy mezony p - jak 2 p - często 3 p - rzadko Rozpady kaonów: 2 p 2 p 3 p 3 p

13 SZOK EKSPERYMENT 1964 K0 Mezony K rozróżniają między t i – t,
|1 | 10 K0 1964 Mezony K rozróżniają między t i – t, tj. między przeszłością a przyszłością

14 NAGRODA NOBLA 1980 po 16 latach: całkiem szybko J.W. Cronin,
EVIDENCE FOR THE 2 PI DECAY OF THE K(2)0 MESON J.H. Christenson, J.W. Cronin, V.L. Fitch, R. Turlay Phys.Rev.Lett.13: ,1964 po 16 latach: całkiem szybko

15 9. Rozpady kwarków – opis dzisiejszy
Q = –1/3 s d b u c t s d b u c t Q = +2/3 λ = 0.22 Siły przejść: d s u 1 λ c – λ b – λ3 λ2 1 d s u 1 λ c – λ b +λ3 λ2 1 CP (T) t – λ3 λ2 t +λ3 λ2 Teoria mówi, że ma być taka różnica w znakach Gdyby nie było (ciężkich) kwarków b, t nie byłoby łamania odbicia w czasie w mikroświecie 2. Ponieważ λ3 = 0,01 więc efekty pochodzące od kwarków ciężkich (t,b) są bardzo małe

16 Czyli z brakiem symetrii przy odbiciu w czasie
10. Rozpady mezonów K i B Mezony K u, c, t s d Dla procesów K0  K0 przyczynek od kwarku t bardzo mały – więc bardzo mały efekt braku symetrii przy odbiciu w czasie W W d u, c, t s Dla mezonów B, w których zamiast kwarku s mamy kwark b ( bd, db ) – mamy od razu do czynienia z efektami związanymi ze zmianą znaku przy przejściu od cząstek do antycząstek: b  u z siłą – λ3 b  u z siłą + λ3 Czyli z brakiem symetrii przy odbiciu w czasie Dlatego prowadzi się obecnie wiele eksperymentów z mezonami zawierającymi kwarki b (kwark t jest za ciężki do eksperymentów) Belle – Japonia BaBar - Kalifornia

17 WARTO ZAPAMIĘTAĆ: Kalifornia Japonia
1. Jest 6 typów kwarków różniących się masami, (i 6 typów antykwarków) 2. Dzięki temu, że jest sześć (a nie np. cztery) typów teoria pozwala, by kwarki i antykwarki (w lustrze) w słabych oddziaływaniach zachowywały się trochę inaczej, Kalifornia Japonia czyli by rozróżniały przeszłość i przyszłość na poziomie mikroskopowym 3. Przeprowadzane obecnie eksperymenty mają sprawdzić, czy teoria jest poprawna

18 Co robi lustro? ZAGADKA Obeirzyj odbicie np. lewej ręki w lustrze.
Wygląda jak ręka prawa. Mówi się, że lustro wymienia ze sobą strony “prawą” i “lewą”. Dlaczego wobec tego nie wymienia “góry” z “dołem”? Co robi lustro?