Ewolucja Wszechświata
description
Transcript of Ewolucja Wszechświata
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.