Big Bang

teraz

Atomy

protony, neutrony i elektrony

99.999999999999% atomu jest pusta Elektrony są tam, gdzie

prawdopodobieństwo ich znalezienia jest największe

W jadrach sa protony i neutrony

jądro

mp = 1836 me

Leptony

Elektron - przykład leptonu – cząstki, która ma rozmiary punktowe

Neutrina są też leptonami Istnieją 3 generacje leptonów, każdy ma

cząstkę obdarzoną masą i bezmasowe(?) neutrino

Każdy lepton ma anty-lepton (np.elektron i pozyton)

Cięższe leptony ulegaja rozpadowi na lżejsze leptony plus plus neutrina (liczba leptonowa musi być zachowana)

Typy Leptonów

Lepton Ładunek

Masa (GeV/c2)

Elektronowe neutrino

0 0

Elektron -1 0.000511

Muonowe neutrino

0 0

Muon -1 0.106

Tau neutrino 0 0

Tau -1 175

Kwarki

Protony i neutrony są zbudowane z mniejszych cząstek

Są to “kwarki”, (Murray Gellman - James Joyce “three quarks for Muster Mark”

Każdy kwark ma swój anty-kwark

Współczesny obraz atomu

Rozmiary atomowe

Atomy 10-10 mJądra 10-14 mProtony 10-15 mElektrony i kwarki 1000

razy mniejsze od protonu

Typy kwarków

Zapach Ładunek Masa (GeV/c2)

Up 2/3 0.003

Down -1/3 0.006

Charm 2/3 1.3

Strange -1/3 0.1

Top 2/3 175

Bottom -1/3 4.3

Kwarki występują w 3 generacjach

Materia jest zbudowana z 2 najlżejszych kwarków

Kwarki

Up, down, charm, strange, top and bottomŚwiat jest zbudowany z kwarków i leptonów…

Kwarki

Cząstki zbudowane z kwarków to hadrony

3 kwarki tworzą bariony (np. protony i neutrony)

kwark i antykwark mogą tworzyć mezon (piony and kaony)

proton

mezon

Ładunki kwarków dodają się tak, że wypadkowy ładunek hadronów jest całkowity.

Ładunek elektryczny

Kwarki mają niezwykłą własność - ich ładunek elektryczny jest ułamkowy,

w przeciwieństwie do protonu i elektronu, mających odpowiednie ładunki +1 i -1. Najtrudniej uchwytny kwark, prawdziwy, został odkryty w roku 1995.

Mamy sześć kwarków, pogrupowanych w trzy pary :

Górny - dolny (up/down),

Powabny - dziwny (charm/strange)

prawdziwy - piękny (truth/beauty). - jednak obecnie w języku angielskim używa się

innych nazw: top/bottom.

Kwarki są jednym z rodzajów cząstek materii. Większość materii, która nas otacza, jest zbudowana z protonów i neutronów, które z kolei składają się właśnie z kwarków.

31

lub32 e

Ładunki kolorowe

Każdy kwark ma ładunek kolorowy a antykwark – ładunek antykolorowy

Czastki zbudowane z kwarków nie mają ładunku kolorowego (R+B+G lub kolor + anty-kolor

Wymiana gluonu Kwarki w jądrze wymieniają gluony

Kwarki oprócz ładunku elektrycznego posiadają jeszcze inny rodzaj ładunku, zwany ładunkiem kolorowym. Siły pomiędzy cząstkami naładowanymi kolorowo są bardzo silne, stąd też wywodzi się nazwa przyjęta dla tego oddziaływania:

Oddziaływanie silne

•Oddziaływanie silne zespala kwarki, które tworzą hadrony.

• Cząstki nośnika siły nazwano gluonem ponieważ pełni on rolę bardzo mocnego kleju zespalającego kwarki("glue" w

języku angielskim oznacza klej).

• Istnieje 8 gluonów

Oddziaływanie silne pomiędzy kwarkami w jednym protonie i kwarkami w innym protonie jądra jest wystarczająco duże, by przezwyciężyć odpychającą siłę elektromagnetyczną pomiędzy tymi protonami.

Efekt ten nazwano resztkowym oddziaływaniem silnym, i jest to właśnie to, co "skleja" (glue - ang. sklejać) jądro atomowe.

Ładunek kolorowy zachowuje się inaczej niż ładunek elektromagnetyczny. Gluony posiadają ładunek kolorowy, co jest dość dziwne, gdyż fotony (nośniki siły ektromagnetycznej) nie mają ładunku elektromagnetycznego. Podczas gdy kwarki mają ładunek kolorowy, to całkowity ładunek kolorowy cząstek złożonych z kwarków wynosi zero (są one kolorowo obojętne). Z tego powodu oddziaływanie silnie występuje tylko na bardzo małych odległościach pomiędzy kwarkami i dlatego w życiu codziennym siły tej w ogóle nie widzimy.

Jak działa ładunek kolorowy?

Kwark emituje gluon

Ładunek kolorowy jest zachowany

Gdy czerwony kwark emituje czerwony/anty-niebieski gluon staje się kwarkiem niebieskim

Siły atomowe

Elektrony są związane z jądrem siłą Coulomba (elektromagnetyczna)

Protony w jądrze są utrzymywane dzięki oddziaływaniu silnemu

Neutrony emitują cząstki beta zamieniają się w proton poprzez słabe oddziaływanie jądrowe.

F = k q1 q2

r2

n = p + e +

Oddziaływania słabe są odpowiedzialne za rozpad ciężkich kwarków i leptonów na lżejsze kwarki i leptony.

Cząstki przenoszące oddziaływanie słabe to:

bozony W+, W- i Z.

Cząstki W są naładowane elektrycznie, podczas gdy cząstka Z jest elektrycznie obojętna.

Ud + +

eeud 13

2

3

1

proton

Anihilacja elektronu

Oddziaływania fundamentalne

Oddz. grawitacyjne i elektromagnet. są dlugozasięgowe

Silne i słabe oddz. są krótkozasięgowe (<10-14 m)

Słabe oddz. jest ok. 10-8 razy słabsze od silnego

Nośniki oddziaływań

Foton jest nośnikiem oddziaływania elektromagnetycznego miedzy ładunkami.

Gluon jest nośnikiem oddz. silnego między ładunkiem kolorowym kwarków

Nośniki oddziaływań

Rozdzielenie dwóch powoduje powstanie następnych (energia pola kolorowego rośnie dopóki nie utworzą się 2 nowe kwarki)

Nośnikami oddz. słabego są bozony W i Z ; cięższe kwarki i leptony ulegają rozpadowi na lżejsze wymieniając zapach.

Unifikacja oddziaływań

Oddz. słabe i elektromagnet. – oddz. elektrosłabe. Mają podobne działanie na odległościach rzędu 10-18 mOddz. słabe jest słabsze od oddz. em. na

większych odległościach, bo bozony W i Z są cieżkie a fotony nie mają masy

GUT ? (“Grand Unified Theories)

Grawitacja

Nośnik – grawiton – narazie nie zaobserwowany

TOE? (“Theory of Eveything”) -połaczenie OTW i 3 rodz. oddziaływań.

Oddziaływania

Spin

Musi być zachowany podczas oddziaływań cząstek!! Spin połówkowy - “fermiony” Spin całkowity - “bozony”

* Graviton ma spin 2

Liczby kwantowe

Ładunek elektr. (ułamkowy dla kwarków, całkowity dla wszystkich pozost.)

Spin (połówkowy lub całkowity) Ładunek kolorowy (wszystkie cząstki

neutralne ) Zapach (rodzaj kwarka) Liczba leptonowa (elektron, muon lub tau) Fermiony ( zakaz Pauliego) Bozony

Model Standardowy

6 kwarków (i 6 anty) 6 leptonów (i 6 anty) 4 siły Nosniki oddz. (, W+, W-, Zo, 8 gluonów,

grawiton)

Unification of Fundamental ForcesElectricity

Magnetism

Light

Beta-decay

Neutrinos

Protons

Neutrons

Pions, etc.

Earth Gravity

Celestial Mech.

Electromagnetism

Weak Interaction

Strong Interaction

Universal Gravity

Spacetime Geom.

Electroweak Interaction

StandardModel

GeneralRelativity

?