Post on 30-Jan-2016
description
Elementarne składniki materii
Henryk Pałka, IFJ PAN
Czym są elementarne składniki
materii?
Jakie siły
rządzą
oddziaływania
mi cząstek?
Czy istnieje jednolita teoria
(ToE) obejmująca wszystkie
oddziaływania?Fizyk redukcjonista
Skończona liczba cząstek elementarnych?
Cząstki = (elementarne) składniki materii
Historia składników materiiS
kala
loga
rytm
iczn
a
17 ?
Arystoteles Dalton(pierwiastki)
Thomson(elektron)Rutherford(atom)
• Wysokie energie (pędy) cząstek konieczne aby :
• obserwować głeboko ukryte struktury (małe rozmiary): λ = h/p (de Broglie), x p ≤ ħ (Heisenberg) mikroskop o b. krótkiej fali
• wytworzyć (z energii) nowe cząstki: E = mc2 (Einstein)
Przyśpieszanie cząstek do wielkich energii i ich zderzanie (pocisk-tarcza, pocisk-pocisk)
Fizyka cząstek = Fizyka wysokich energii
Eksp. rozproszeniowy
Eksp. formacji (anihilacja cz.-anty-cz.)
Rozmiary i energie w mikro-świecie
• 1 fm = 1 femtometr („Fermi“) = 10-15 m (1 µm = 1 000 000 000 fm)
• Energia:1 elektronowolt = 1eV
1 Kilo-elektronowolt = 1 KeV = 1000 eV1 Mega-elektronowolt = 1 MeV = 1 000 000 eV1 Giga-elektronowolt = 1 GeV = 1 000 000 000 eV
1 Tera-elektronowolt = 1 TeV = 1 000 000 000 000 eV
Energia 1 GeV, duża w mikro-świecie, jest śmiesznie mała makroskopowo: np. rozświetli latarkę (1.6 W) tylko przez:
0,000 000 0001 sekundy
Mikroskop: przyśpieszacz (akcelerator) cząstek
>0,15µm
widzieć = zarejestrować obraz rozproszenia
Pocisk tarcza detektor
Rozdzielczość:
‘precyzja’ << rozmiar strukturyrozmiar pocisku << struktury
precyzja = 200 fm / 1 MeV energii pocisku :
0,2 fm przy E = 1 GeV = 1000 MeV0,2 µm przy E = 1 eV
Źrodłoświatła Obiek
t
[ λ = h/p, x p ≤ ħ ]
Proton i neutron mają strukturę wewnętrzną !!!
1 fm
Odkrycie (SLAC ~1970): rozpraszając e- na protonach i neutronach
Podejrzenie że p i n nie są elementarne trochę wcześniej (model kwarków, ~1960 )
•<< 1 fm Energie >> 0,2 GeV
Jak działa akcelerator ?
• Zasada działania:
• Akcelerator liniowy:
ILC (planowan
y)
Fermilab
• Lampa kineskopowa:
Kompleks akceleratorów w CERN
Cegiełki materii
Fundamentalne* cegiełki tworzące materię:
- elektron e- , kwark u (up – górny), kwark d (down –dolny) , związane w atomach i jądrach
- neutrino ν a co to takiego?
(*)nie mają struktury wew. = są ‘punktowe’: d < 0.001 fm)
nie fundamentalne(podzielne)
fundamentalne(niepodzielne)
Kryształ Molekuła Atom Jądro atomu Proton Kwark
Neutrino: ‘cząstka-duch’
Rozpad : n p + e-
(1914 Chadwick)
Prawo zachowania energiii pędu - przy spoczywającymneutronie : E(e-) = const sprzeczne z obserwacją:
Pauli (1930): w rozpadziemusi uczestniczyć niewidzialnacząstka (ν), partner e-
ν : bardzo lekka (m=0 ???)• 999 999 999 ν/1 000 000 000 przebija kulę ziemską bez oddziaływań • dużo neutrin we Wszechświecie: ~400 000 000/m3
(n.b. protonów jest tylko 0.2/m3 )
Oddziaływania cząstekSiły wzajemnego oddziaływania cząstek na siebie, wywołujace produkcję cząstek i ich rozpady
Obecnie znamy 4 oddz. fundamentalne:
q q ppnn
nnp
pppp
nnn
ppnpnp
Grawitacyjne (masy)
Słabe (rozpad β)
Elektromagnet.(ładunki elektr.)
Silne(jądrowe)
Skąd się te siły biorą ?
Siły wymiany
• ‘Partnerzy’ oddziaływania muszą mieć ‘ładunek’
• siła oddziaływania jest skutkiem wymiany ‘cząstki pośredniczącej’
electron 1
czas
t2
t1
przestrzeń
elektron 2
elektron 1
Foton (wirtualny)
To jest tzw. diagram Feynmana
Słabe Elektromagnet. Silne
‘Ładunek’ +1,-13 kolory: r,b,g+3 anty-kolory
I1 , I2, I3
cz. pośredn.jej ładunek,masa
γ00
8 gluonów ( g )kolor,anty-kol. 0
W+, Z0, W-
+1, 0, -170-90 GeV
ładunki cz. element.
Q(u)= 2/3Q(d)=-1/3Q(ν)=0Q(e-)=-1
Q(u)= r,b,gQ(d)= r,b,gQ(ν) i Q(e-) nie istnieją
I3(u)= +1/2I3(d)= -1/2I3(ν)= +1/2I3(e-)=-1/2
zasięg sił ∞ ~1 fm ~0.0025 fm
skutki widocznemakroskopowo
niewidocznew skali makro
świecenie Słońca,radioaktywnośc
Pełny zestaw znanych obecnie cząstek elementarnych
GrawitacjaGrawitacja
--duch w duch w operzeoperze
BozonBozonHiggsaHiggsa??
Noś
niki
si ł
Noś
niki
sił
ZZ boson
WW boson
foton
ggluon
tau
-neutrino
bpiękno
tprawda
III III
mion
-neutrino
sdziwny
cpowab
II II
eelektron
ee-neutrino
ddół
górau
I I
Lep
tony
Lep
tony
K
war
kiK
war
ki
Rodziny Rodziny cząstekcząstek
materiimaterii
Cząstki materii i pól sił
t
bc
su
de
e
Mass
Mt=175 GeV ! – cięższy niż atom srebra!!
Mamy nadzieję że LHC dostarczy odpowiedzina te 2 pytania
Dlaczego 3 rodziny?skąd ta rozpiętość mass?Dlaczego 3 rodziny?skąd ta rozpiętość mass?
Nurtujące pytania:
Obecna granicaobserwowalności
Nasze marzenie: jednolita teoria (unifikacja)
Supersymetria?
CMS
d
u
bs
c t
e Z
e
g
W
Spin1/2
Spin 1
Spin0
H
H
d
u
bs
c t~ ~ ~~ ~ ~
e~
~e~
~
~ ~ Z
g
W
~
~
~
~
Supersymmetric Partner
Spin0
Spin 1/2
Spin1/2
H~
H~
Związek fizyki cząstek z kosmologią
Wczesny Wszechświat:temperatura 1015K energia czastek ~100 GeV
Akcelerator:energia cząstek ~100 GeV
Niekontrolowane zderzeniacząstek
kontrolowane zderzeniacząstek