Ewolucja Wszechświata

Wykład 4

cząstki elementarnei oddziaływania

co jest elementarne?

10-10 m

atom

10-14 m

jądro

10-15 m

nukleon

kwarkelektron

brak struktury!

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)

elektron

Thomson (1895) – promienie katodowe elektroliza emisja elektronów

czas życia: stabilnymasa: m = 0.511 MeVładunek: z = -1 barionowy: B = 0leptonowy: L = 1spin: J = ½

moment magnetyczny: 2

cme

e

P.A.M.Dirac

proton

Rutherford (1919) – emisja po reakcji + N

czas życia: stabilnymasa: m = 938.27 MeVładunek: z = 1barionowy: B = 1leptonowy: L = 0spin: J = ½

moment magnetyczny:2

79.2

cme

p

struktura?

foton

A.Einstein (1905) – efekt fotoelektryczny

czas życia: stabilnymasa: m = 0ładunek: z = 0barionowy: B = 0leptonowy: L = 0spin: J = 1

energia, pęd:

cp

E

neutronChadwick (1930)

czas życia: = 14.8 min, n p + e + e

masa: m = 939.57 MeVładunek: z = 0barionowy: B = 1leptonowy: L = 0spin: J = ½

moment magnetyczny:2

91.1

cme

p

pozyton

P.A.M.Dirac (1928) – relatywistyczne równanie

falowe• spin

• moment magnetyczny

• oraz energia: 2242 cpcmE e

mc2

-mc2

0

cząstka (elektron)

dziura (pozyton)

Carl Anderson (1932) – odkrycie w komorze mgłowej z polem B

kreacja pary

foton

pozyton

elektron

hmin = 2mec2 1.02 MeV

lawiny fotonowo-elektronowe

anihilacja

• hamowanie

• pozytonium

• anihilacja

•2 fotony E 0.5 MeV

pozyton

elektron

foton

foton

neutrino

Pauli (1931) – przewidział istnienie na podstawie analizy rozpadu

czas życia: stabilnymasa: m = 0 ? (< 3·10 –6 MeV)

ładunek: z = 0 barionowy: B = 0leptonowy: L = 1spin: J = ½ moment magnetyczny: = 0

Reines, Cowan (1957) – odkryli neutrino

więcej cząstek...

1938 – miony (C.Anderson i S.Neddermeyer – promieniowanie kosmiczne)

rozpady mionów:1947, fotoemulsja:

e + +e

+ e+ + e +

• m 200 me = (105 MeV)

• oraz + (antycząstka)

• są nietrwałe – czas życia: 2.5 10-6 s

1962 – dwa rodzaje neutrin: elektronowe i mionowe:(e, e), (, )... a potem jeszcze taonowe (, )

odkrycie taonu

SPEAR

(energia zderzenia w środku masy = 4 GeV)

e+ + e + +

+ +

+ e+ + e +

więcej cząstek...

Mezony (piony) Powell (1947) – promienie kosmiczne + emulsja jądrowa

+

+

e+

e

m 150 MeV

+ + +

+ e+ + e +

(e+ + e + )

Istnieje oraz + (antycząstka)

0 w komorze pęcherzykowej

+ Xe 0 + ... 0 + T = 3.5 GeV

pierwsza fotografia cząstki Vo

π+

π-

Ko

wtórne kosmiczne, h = 0 komora mgłowa

B = 0.35 T, (Manchester Univ.)

G.D.Rochester i C.C.Butler; Nature, 160, 855, (1947)

mV = 500 600 MeV

= 10-11 10-9 s

Mezon K0 – cząstka dziwna

wśród produktów rozpadu też: protony

π-

p

o

p+ 180 MeV –

proton

p- 190 MeV – pion

mV 1130

MeV

Hiperon 0 – cząstka dziwna

hiperon omega

K+

Ko

o

p

e

e+

e

e+

N.Samios, BNL (1964) komora Glasera H2, 80’

K

p

o +

o o + o

o p +

K + p + K+ + Ko p0 = 5 GeV/c

o 2 2 ( e + e+ )

o

o

Dziwność = -3

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

kwarki (spin = ½) i leptony (spin = ½) aromat

(flavour)masa

[MeV] ładunek lepton masa

[MeV] ładunek

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

0 < 3.010-6

0

c – charm powabny

1.0 1.4

103

+2/3 μ -mion = 2.20·10-6 s

105.7 -1

s – strange dziwny

80 155

-1/3 νμ – neutrino

mionowe

0 < 0.19

0

t – top wierzchni

174. 103

+2/3 τ - taon = 2.91·10-13 s

1777.0 -1

b – bottom spodni

4.0 4.5

103

-1/3 ντ – neutrino

taonowe

0 < 18.2

0

PPb 2002Cząstki z różnych rodzin różnią się zapachem.

Hadrony

• z trzech kwarków – bariony

• z kwarku i antykwarku - mezony

Z kwarków zbudowane są hadrony:

Bariony

Większość masy hadronu to energia wiązania kwarków.

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)

Mezony

dudusu

Leptony

Leptony = (e, e), (, ), (, ) + antycząstkisą fermionami oddziałujacymi słabo,

Le L L

e, e +1 , +1 , +1

e+,e 1 +, 1 +, 1

inne 0 inne 0 inne 0

Liczba leptonowa:

Cząstki należące do różnych rodzin różnią się zapachem.

Rozpady leptonów

Liczby elektronowe, mionowe i taonowe są zawsze zachowane, gdy ciężki lepton rozpada się na mniejsze leptony.

Elektron i 3 rodzaje neutrin – trwałe

Mion i taon - nietrwałe

Czy te rozpady są możliwe?

Liczba mionowa niezachowana

Energia niezachowana

Oddziaływania

Wirtualne cząstki przenoszące oddziaływanie

tEZasada nieoznaczoności:

czas

1 cząstka wysyła i pochłania cząstki wirtualne

1 cząstka wysyła, a 2 cząstka pochłania cząstki wirtualne

Odziaływanie elektromagnetyczne

•Działa na ładunki elektryczne

•Odpowiedzialne za wiązania chemiczne

•Nośnik – foton ()

•Zasięg – nieskończony

Odziaływanie silne

•Działa na ładunki kolorowe

•Odpowiedzialne za wiązanie kwarków w barionach

•Nośniki – gluony

•Zasięg – 10-15 m (odległość typowa dla kwarków w nukleonie)

RG

B

R

B

G

Odziaływanie silne

Kwarki mają ładunek kolorowy

Istnieją tylko cząstki o całkowitym ładunku kolorowym równym zeru.

Uwięzienie kwarków (kolorów)

Oddziaływanie między kwarkami rośnie wraz z odległością

Oddziaływanie między elektronami maleje wraz z odległością

Uwięzienie kwarków

•Oddziaływanie między kwarkami rośnie wraz z odległością.

•Próba rozdzielenia kwarków prowadzi do wytworzenia nowej pary kwark-antykwark (jest to proces korzystniejszy energetycznie).

mezon c

mezon D-

mezon D+

2mcE Zamiana energii na masę

Oddziaływanie kolorowe

q

q

g

Ładunek kolorowy jest zawsze zachowany.

Gluony muszą mieć ładunek kolorowy oraz ładunek antykolorowy, gdyż zmieniają one zawsze dany kolor w antykolor.

8 gluonów - 8 stanów kolorów – superoktet (SU3)

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.

Oddziaływanie słabe i elektromagnetyczne opisuje jednolita teoria oddziaływań elektrosłabych.

Masy W+, W- i Z0 duże (~80 GeV) Zasięg mały

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

Słaby rozpad

W

e

e

e

e

ee W rozpadzie pośredniczy

bozon W-

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.

Oddziaływania

grawit. elektrosłabe silne (kolorowe)

grawiton(?)

masa [GeV]

ładunek masa [GeV]

ładunek

γ

W+

W-

Zo

0

80.480.491.2

0

+1-10

g - gluon

0 0

superoktet SU(3)

8 stanów koloru

•http://chall.ifj.edu.pl/przygodazczastkami/frameless/index.html•http://www.wiw.pl/fizyka/boskaczastka/•L. Lederman „Boska cząstka”

Literatura:

Jak wytworzyć plazmę kwarkowo-gluonową?

•Zwiększyć:

ciśnienie temperaturę

Takie warunki panowały we Wszechświecie tuż po Wielkim Wybuchu

Plazma kwarkowo-gluonowa

Względna gęstość materii jądrowej

Te

mp

era

tura

, K

1 10

Tc=

310

12 K

Gwiazdy neutronowe

Wczesny Wszechświat

Zderzenia jąder o wielkich energiach – wytwarza się stan materii o wysokiej temperaturze i ciśnieniu.

czas

przestrzeń

Stan przedrównowagowy

Plazma kwarkowo-gluonowa

Faza mieszana

Gaz hadronowy

Emisja cząstek

Brookhaven National Laboratory, Long Island (USA)Eksperyment rozpoczęty w 2000 roku

RHIC - Relativistic Heavy IonCollider

(Relatywistyczny Zderzacz Ciężkich Jonów)

Akcelerator w tunelu 4 m pod ziemią przyspiesza przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła.

Wiązka odchylana jest w polu magnetycznym wytwarzanym przez nadprzewodzące magnesy umieszczone w ciekłym helu o temperaturze 4,5 K.

•Energia zderzenia Ecms = 200 GeV

•Tysiące zderzeń na sekundę

•Podczas zderzenia wytwarza się temperatura 10 000 razy wyższa niż na Słońcu

RHIC

W eksperymentach bierze udział ponad 1000 fizyków z całego świata

Grupa naukowców i studentów z Wydziału Fizyki P.W. uczestniczy w eksperymencie STAR

Rejestracja cząstek

Cztery eksperymenty na zderzaczu RHIC

Rejestracja cząstek

Ekperyment STAR

Zamiana energii w masę

E = mc2

W poszukiwaniu plazmy kwarkowo-gluonowej...

W zderzeniu dwóch jąder ołowiu...

...mogą powstać nowe cząstki zwane J/PSI

http://info.fuw.edu.pl/~ajduk/Public/SCIENCE/qgp.html

W poszukiwaniu plazmy kwarkowo-gluonowej...

Jeśli w zderzeniu powstanie plazma kwarkowo-gluonowa, to niektóre cząstki J/PSI ulegną zniszczeniu, za to powstaną inne cząstki – kwarki dziwne. Pojawi się też więcej cząstek rozpadających się na pary elektronowe.

http://info.fuw.edu.pl/~ajduk/Public/SCIENCE/qgp.html

Badając, ile i jakich cząstek powstało w zderzeniu, możemy stwierdzić, czy uformowała się plazma kwarkowo-gluonowa i jak ewoluowała.

Niestety, wyniki nie są jednoznaczne...

brak ośrodka

Zderzenie protonu lub deuteronu z jądrem

Nucleus- nucleuscollision

Proton/deuteron nucleuscollision

Medium? No Medium!

Thomas K HemmickThomas K Hemmick, , Stony Brook UniversityStony Brook University

Quark Matter 2004, Oakland CA

Zderzenie jądro-jądro

ośrodek?

The END of searching for the QGP

The BEGINNING of measuring its properties

• 12D Correlations• Heavy Quarks• Direct Photons • Leptons• and its relation to CGC

Miklos Gyulassy, Columbia UniversityQuark Matter 2004, Oakland CA

KONIEC poszukiwań plazmy kwarkowo-gluonowej

POCZĄTEK badania jej własności

Sonic boom from quenched jets Casalderrey,ES,Teaney, hep-ph/0410067; H.Stocker…

• the energy deposited by jets into liquid-like strongly coupled QGP must go into conical shock waves

Wake effect or “sonic boom”

Quark Matter 2005, BudapesztEdward ShuryakEdward Shuryak

State University of New State University of New YorkYork

Plazma kwarkowo-gluonowa ma własności podobne do cieczy.

Następne przygotowywane eksperymenty:

LHC (Large Hadron Colider) – 2007r.

CERN Genewa (Szwajcaria/ Francja)

Wielki Zderzacz Jonów

Eksperyment ALICE

Nowe możliwości badania materii

•Energia (GeV) 200

•Liczba rejestrowanych cząstek 850

•Temperatura (T/Tc) 1,9

•Gęstość energii (GeV/fm3) 5

•Czas „życia” plazmy 2 - 4

kwarkowo-gluonowej (fm/c)

RHIC LHC

Quark Matter 2004, Oakland CA Yves SchutzYves Schutz

5500 28 razy

1500-8000 ?

3,0-4,2 goręcej

15-60 gęściej

10 dłużej

UKPORTUGAL

JINR

GERMANY

SWEDEN

CZECH REP.HUNGARYNORWAY

SLOVAKIAPOLANDNETHERLANDS

GREECE

DENMARKFINLAND

SWITZERLAND

RUSSIA CERN

FRANCE

MEXICOCROATIA ROMANIA

CHINA

USAARMENIA

UKRAINE

INDIA

ITALYS. KOREA

Eksperyment ALICE

937 naukowców77 instytutów28 krajów

Grupa naukowców i studentów z Wydziału Fizyki P.W.