FIZYKA CZĄSTEKod starożytnych do modelu

standardowego i dalej

Krzysztof Fiałkowski, IFUJ

Plan wykładów

• Krótka historia fizyki cząstek: prehistoria, źródła naturalne i akceleratory, leptony i hadrony, model kwarków, unifikacja GSW, QCD i kompletny model standardowy

• Droga odkryć na przykładzie neutrin: reaktory, Słońce, akceleratory, detektory, masy neutrin, oscylacje, neutrino Majorany

• Podsumowanie i perspektywy: nagrody Nobla, lista cząstek, brakujące ogniwa

Czy istnieją cząstki elementarne?

• Demokryt (via Lukrecjusz): istnieje granica możliwości podziału materii, czyli cząstki niepodzielne ().

• Arystoteles: to niemożliwe, bo pomiędzy atomami byłaby próżnia, a na to natura nie pozwala.

• Dziś niby zgadzamy się z Demokrytem, ale TAK NAPRAWDĘ próżnia to nie próżnia, więc?

Atomy XIX wieku• Dalton: atomy tłumaczą stałe proporcje

pierwiastków w związkach chemicznych

(z dokładnością do stałych wymiernych).

• Boltzmann: termodynamika jako fizyka statystyczna cząsteczek/atomów.

• Einstein, Smoluchowski: ruchy Browna jako skutki uderzeń atomów w widzialne cząstki zawiesiny, pyłki itp..

Budowa atomu• Thomson: 1897 elektrony, 1904 model atomu „ciasta z

rodzynkami”.• 1896 Becquerel, 1900 Villard: radioaktywność

( zmienność atomów).• ’11 Rutherford: jądro dla wytłumaczenia rozpraszania

cząstek do tyłu, proton – jądro atomu wodoru.

Wstawka: jak badać mikrostrukturę?

• Naiwnie: a) zobaczyć, b) rozłożyć na części.• Fizycznie: a) zbadać rozproszenie fali,

b) dostarczyć energię > energii wiązania.• Granice możliwości w zapisie kwantowym:

a)<<R (światło), Q2>ℏ2/R2E>ℏc/R (cząstki, to samo wg. de Broglie’a),

b)E≥ℏc/R (Heisenberg: znów to samo).• Zatem: do badania mikroświata konieczne

wielkie energie!• Skala: ℏc≈0.2GeV·fm, więc 0.1nm↔1keV (atom)

10fm↔10MeV (jądro); będzie dalej!

Budowa atomu II• Model Bohra atomu: „orbity” elektronów wokół jądra,

ale bez promieniowania (wbrew fizyce klasycznej!).• ’30 Pauli: hipoteza neutrina dla ocalenia praw

zachowania energii i momentu pędu w rozpadzie • Fermi: teoria rozpadu , słabe oddziaływania:

zerowy zasięg – nieskończona masa bozonu?• ’32 Anderson: pozyton (antycząstka elektronu).• ’32 Chadwick: neutron (+Be=n+C; Joliot-Curie).• Heisenberg (Majorana, Iwanienko): jądra -

układy protonów i neutronów – „nukleonów”, izospin.

Początki fizyki cząstek• Uwaga: dotąd wystarczały cząstki z rozpadów

(kilka MeV), wyższe energie z promieniowania kosmicznego ( a właściwie produktów zderzeń z atomami atmosfery). Od ’32 akceleratory (Cockroft, Walton liniowy, Lawrence cykliczny).

• ’35 Yukawa: teoria mezonowa dla wyjaśnienia skończonego zasięgu R sił jądrowych, a stąd np. stałej gęstości materii jądrowej.

• ’37 Anderson: mion, mezon? Nie! Kto zamawiał? • ’47 Powell: odkrycie mezonu m=ℏ/cR; .

Niespodzianki powojenne• ’47 Rochester, Butler: „cząstki V” w emulsji.• ’52 Danysz, Pniewski: hiperjądra.• ’52 Fermi: nowe hadrony (silnie

oddziałujące), krótkożyjące („rezonanse”), E≈100MeV.

• ’55 Lee-Yang: teoria niezachowania parzystości w rozpadzie Wu: potwierdzenie eksp.; neutrina o zerowej masie?

• ’55 Gell-Mann: dziwność S, prawo zachowania: cząstki dziwne tworzone parami w o. silnych, rozpad wolny przez o. słabe, bez zachowania S.

• ’56 Reines i Cowan: oddziaływanie neutrin.

Nowe akceleratory• Cyklotron pozwalał na nadanie Ek<<mc2, wtedy

częstość obiegu w stałym B stała.• Do wyższych energii konieczna zmienność pola,

wygodny stały promień, niewielka objętość pola i przyspieszanie „pęczków”: synchrotron (dla e v≈c, dla p zmienna).

• Dziś praktycznie cykliczne i liniowe mają te same elementy przyspieszające, MeV/m (może będzie GeV/m?), ale w cyklicznych strata na promieniowanie – granica 100GeV dla e, 20TeV dla p. Zderzające się wiązki!

Dalsze kłopoty i próby porządkowania

• ’61 Glashow: oddziaływania słabe jak elektromagnetyczne z nowymi bozonami?

• ’62 Lederman, Schwartz, Steinberger i inni: dwa neutrina.

• ’64 Cronin i Fitch: niezachowanie CP.• ’64 Gell-Mann i Zweig: model kwarkowy (u,d,s)

hadronów.• Nieudane próby odkrycia kwarków – uwięzienie?• ’67 Salam, Weinberg: pełna teoria „GSW”

oddziaływań „elektrosłabych”.

Rewolucja lat 70-tych• ’70 Glashow, Ilopoulos, Maiani: dla słabych o.

konieczny czwarty kwark.• ’73 Gross, Wilczek, Politzer: asymptotyczna

swoboda silnych o.: kwarki uwięzione, ale im bliżej, tym słabiej oddziałują.

• ’74 Richter/Ting: odkrycie cząstki j/świat 4 kwarków(u,d,s,c) i 4 leptonów (e,e,

• ’75 Perl: odkrycie leptonu • ’77 Lederman: cząstka ϒ - piąty kwark b.

„Kompletny” model standardowy

• ’83 UA1, UA2 (CERN collider): odkrycie bozonów W, Z m≈100mp (Nobel: Rubbia - collider, van der Meer - ogniskowanie).

• ’90 LEP (bilans rozpadów Z): tylko 3 neutrina.

• ’95 CDF, D0: odkrycie szóstego kwarku t w zderzeniach pp (rozpady na Wb).

• ’98 niespodzianka: neutrina mają masę!

Jak się tego dowiedzieliśmy?Przykład: neutrino

• Przypomnienie: hipoteza neutrina Pauli ’30

• Przesłanki:

• a) w rozpadzie widmo energii elektronu ciągłe od 0 do Emax (dla dyskretne)

• b) jądra przed- i po rozpadzie oba spin całkowity (w ħ), albo oba połówkowy

• Niezachowanie energii i momentu pędu?

• List Pauli’ego

Dalsza historia neutrin

• Przypomnienie: Reines (Nobel ’95) i Cowan rejestrowali produkty reakcji p→e+n (pozyton przez anihilację na 2 , neutron przez wychwyt w kadmie i emisję kilku z wzbudzonego jądra)

• Rejestracja neutrin to zawsze rejestracja produktów oddziaływania z materią!

• Skoro tylko znikomy ułamek (rzędu 10-12) oddziałuje, potrzebne potężne strumienie! Reines-Cowan z reaktora. Skąd jeszcze?

Neutrina słoneczne

• W latach ’30 XX wieku fizycy (Hans Bethe i inni) ustalili źródła energii słońca:

• reakcje fuzji jąder wodoru w jądra helu p+p→d+e+

+p+d →3He+3He+3He → 4He+2p+w sumie 6p → 4He+22p+2e++3Pozytony anihilują, kwanty protony i jądra helu oddają swoją energię kinetyczną otoczeniu zwiększając jego temperaturę, neutrina uciekają.

• Te neutrina mają energię poniżej energii spoczynkowej e, trudno je rejestrować, ale są i neutrina z innych reakcji, o wyższej energii.

• Ile neutrin dolatuje do nas ze Słońca?

Strumień neutrin słonecznych

• Ze strumienia energii elektromagnetycznej ze Słońca na Ziemi i odległości Ziemia-Słońce obliczono „moc Słońca”: 4·1026 W, a stąd liczbę neutrin emitowanych przez Słońce: 5·1038/s i strumień neutrin na Ziemi: 6·1010/s/cm2. To jest porównywalne ze strumieniem w pobliżu reaktorów!

• Davis: eksperyment detekcji tych neutrin z reakcji +37Cl → 37Ar+e- (tylko dla E>0.8MeV, więc mały ułamek neutrin, ale i tak mnóstwo)

Eksperyment Davisa (Nobel ’02)

• Aparatura: zbiornik 615 t C2Cl4 (środek czyszczący) w starej kopalni złota Homestake (Dakota S) 1500m pod ziemią

• Co 2 miesiące argon wypłukiwany helem ze zbiornika, mierzona liczba jego atomów przez rozpady

• W latach 1970-94 zarejestrowano 875 rozpadów, stąd oszacowano 2200 reakcji: 3 razy mniej, niż przewidywała teoria!!!

Schemat eksperymentu Davisa

Antrakt: różne neutrina

• W rozpadzie → „ginie” połowa energii unoszona najwyraźniej przez neutrino, ale czy to neutrino „mionowe” tożsame z z rozpadu ?

• Lederman, Schwartz, Steinberger (Nobel’88): wiązka pionów ze zderzeń protonów z tarczą formowana, po czasie > czasu rozpadu kierowana przez osłonę (wiele metrów stali z rozbieranego pancernika) do detektorów „kanapek”: warstwy materii i scyntylatora.

• Wynik: produkowane są miony, a nie elektrony!• Dziś wiemy, że jest i trzecie neutrino „taonowe”.

                                                        

                          

Inne eksperymenty

• Dalsze radiochemiczne: GALLEX, SAGE z użyciem 71Ga →71Ge (już dla E>0.2MeV) – nadal mniej neutrin, niż z teorii (ok. ½).

• Inna technika: pomiar „na bieżąco” przez rejestrację elektronu/mionu, w który zmienia się neutrino oddziałując z nukleonami materii. Nadal deficyt neutrin słonecznych!

• Najwygodniej gdy tarcza=detektor: zbiorniki wodne, w których wytworzone e/ wysyłają promieniowanie Czerenkowa (odpowiednik naddźwiękowego grzmotu dla v>c/n). Dziś największy: Superkamiokande (50 kt!).

Neutrina z innych źródeł

• „Atmosferyczne” – z rozpadów pionów produkowanych w atmosferze przez promieniowanie kosmiczne i z rozpadów mionów z rozpadów pionów

• Odkrycie Superkamiokande (Koshiba Nobel 2003): neutrin elektronowych tyle samo „z dołu”, co „z góry”, mionowych znacznie mniej „z dołu”. Wyjaśnienie: mionowe zmieniają się po drodze w taonowe, „niewidoczne” dla SK- oscylacje.

• Podobne tłumaczenie dla neutrin słonecznych! Ale to możliwe tylko, gdy masa różna od zera!

Dalsze badania

• Widmo energii elektronów z rozpadu trytu dowodzi, że m < 10-5 me.

• Oscylacje (zamiana w locie na inny rodzaj neutrin) możliwe tylko, gdy znane neutrina to kombinacje 3 stanów o różnych masach.

• Jak to dokładniej zbadać?• Dokładniejszy pomiar rozpadu trytu

(KATRIN).• Poszukiwania tzw. bezneutrinowego

podwójnego rozpadu (GERDA• Badania oscylacji dla znanej dokładnie

wiązki z akceleratora (K2K, CNGS).

Schemat eksperymentu KATRIN planującego pomiar masy neutrina elektronowego z

dokładnością do 0.2 eV/c2. Badany jest rozpad beta trytu. Intensywność źródła i

dokładność pomiaru są o rząd wielkości lepsze niż w poprzednich eksperymentach.

KATRIN od źródła trytu do detektora

Bezneutrinowy podwójny rozpad b (lata ’30)

•Maria Goeppert-Mayer: są jądra parzysto-parzyste, dla których nie ma rozpadu b (jądro z Z’=Z+1 jest cięższe), ale możliwy rozpad bb: (Z)→(Z+2)+2e+2n (jądro z Z’=Z+2 jest lżejsze!).

•Ettore Majorana: teoria neutrin tożsamych z antyneutrinami.

•Racah, Furry: dla takich neutrin możliwe nowe procesy, w tym „bezneutrinowy rozpad bb”: (Z)→(Z+2)+2e

•Jeśli wykryjemy, udowodnimy, że neutrina to „cząstki Majorany” i wyznaczymy ich masę! Ale te rozpady są bardzo rzadkie, a izotopy drogie…

Schemat eksperymentu GERDA w Gran Sasso

CNGS

• Aby wykryć oscylacje dla „wygodnych” energii neutrin, „daleki” detektor musi być setki kilometrów od źródła – akceleratora (podobnego, jak w eksperymencie LSS).

• Na szczęście neutrina mogą lecieć bez „prowadnicy”, prosto przez Ziemię.

• Już działa taki układ w Japonii (K2K). Wkrótce ruszy CNGS (z CERN-u pod Alpami do Gran Sasso we Włoszech).

CERN → Gran Sasso

Ostatnie uzupełnienia

• ’00 DONUT: oddziaływanie neutrina taonowego (nikt nie wątpił, ale…)

• Osiągnięta skala odległości: 100GeV↔1am; ew. struktura kwarków i leptonów musi być mniejsza!

• Listy elementarnych składników materii:

Tabela leptonów

Lepton Masa [MeV/c2] Czas życia [s]

Elektron e- ~0,5 trwały

Neutrino el. e <10-5 (~10-7?) trwałe

Mion ~100 ~2·10-6

Neutrino m. <0,17 (~10-7?) trwałe

Taon ~1800 ~3·10-13

Neutrino t. <18 (~10-7?) trwałe

Tabela kwarkówKwark Masa [MeV/c2] Ładunek [e]

Górny u ~4 +2/3

Dolny d ~6 -1/3

Dziwny s ~130 -1/3

Powabny c ~1300 +2/3

Piękny b ~4300 -1/3

Szczytowy t ~175000 +2/3

Tabela bozonówBozon Masa [GeV/c2] Czas zycia [s]

Foton γ 0 ∞

Gluon G 0 ∞

Bozon W ~82 10-26

Bozon Z ~91 10-26

Nagrody Nobla z fizyki cząstek

1935 J Chadwick: odkrycie neutronu1936 V Hess: promieniowanie kosmiczne, C Anderson: pozyton1948 P Blackett: odkrycia w komorze Wilsona1949 H Yukawa: teoria mezonu 1950 C Powell: emulsja jądrowa, odkrycie ...1957 TD Lee, CN Yang: łamanie P1958 PA Cherenkov, IM Frank, IY Tamm: efekt Czerenkowa1959 EG Segre, O Chamberlain: odkrycie antyprotonu 1960 DA Glaser: komora pęcherzykowa1961 R Hofstadter: struktura nukleonów1963 EP Wigner: symetrie w fizyce1965 SI Tomonaga, JS Schwinger, RP Feynman: QED1967 HA Bethe: energia gwiazd1968 LW Alvarez: rezonanse (krótkożyjące hadrony)

Nagrody Nobla cd

1969 M Gell-Mann: klasyfikacja hadronów (model kwarków)1976 B Richter, S Ting: odkrycie j/ 1979 SL Glashow, A Salam, S Weinberg: unifikacja teorii oddziaływań

EM i słabych1980 JW. Cronin, VL Fitch: łamanie CP1984 C Rubbia, S Van Der Meer: odkrycie W i Z

1988 LM Lederman, M Schwartz, J Steinberger:

1990 JI Friedman, HW Kendall, RE Taylor: odkrycie struktury kwarkowej nukleonów

1992 G Charpak: komora drutowa1995 ML Perl: lepton , F Reines: neutrino1999 G ‘t Hooft, MJG Veltman: renormalizacja teorii GSW2002 R Davis Jr., M Koshiba: neutrina kosmiczne2005 DJ Gross, HD Politzer, F Wilczek: asymptotyczna swoboda QCD

Brakujące ogniwa

• Cząstka Higgsa –źródło mas bozonów (także kwarków i leptonów).

• Hierarchia mas? Dla t, W, Z 100mp, dla e 0.0005mp, dla <10-10mp. Skąd?

• Nieskończoności? Supersymetria?

• Hierarchia oddziaływań? Unifikacja?

• Liczba wymiarów? Superstruny?

• Ciemna materia? Ciemna energia?

Cząstka Higgsa

•Według teorii GSW (opisującej wiernie wszystkie dane o o. elektrosłabych) masy bozonów W i Z, a także leptonów i kwarków pochodzą z oddziaływania z tzw. polem Higgsa, które wypełnia „próżnię”, czyli stan o najniższej możliwej energii.

•Obrazek: bezwładność jak opór ośrodka.•Polu Higgsa powinna odpowiadać cząstka H0

(dotąd nieodkryta, może o wielkiej masie?).•Zderzacz protonów LHC powinien umożliwić w

latach ’07-’10 sprawdzenie, czy H0 istnieje.

Źródła hierarchii mas

• Model standardowy nie wyjaśnia hierarchii mas. Szczególnie trudno zrozumieć, dlaczego neutrina są tak lekkie. Jeśli to cząstka Majorany, możliwe tłumaczenie przez „mechanizm huśtawki” – związek z bardzo ciężkimi cząstkami „do odkrycia”.

• Generalnie, dla wyjaśnienia mas należy przyjąć, że MS to tylko przybliżenie „prawdziwej” teorii z wieloma nowymi cząstkami.

Usuwanie nieskończoności

• Już w teorii elektrodynamiki występują nieskończoności usuwane „trickami” matematycznymi. W teorii GSW i QCD podobnie.

• Nieskończoności można uniknąć, zakładając „supersymetrię” – istnienie dla wszystkich znanych dziś cząstek cięższych „partnerów”.

• Poszukiwania od 30 lat bezowocne, ale…

Unifikacja?

• Model standardowy to „mechaniczne złożenie” teorii GSW i QCD.

• Skoro GSW to wspólna teoria pozornie bardzo różnych o. elektromagnetycznych i słabych, może i silne można z nimi zunifikować?

• W takiej teorii proton może nie być absolutnie stabilny (choć „żyje” kwintyliony lat), co pozwala wyjaśnić niezrozumiały fakt: dlaczego we Wszechświecie jest tak mało antymaterii?

• Niestety takie teorie dotąd niezadowalające.

Ile wymiarów? Struny?

• Kolejne „dziwne” pytanie: dlaczego żyjemy akurat w 3 wymiarach + czas?

• Teoria mówi, że liczba wymiarów nie może być dowolna, jeśli podstawowe obiekty to nie punkty, ale struny. Niestety wtedy minimum to 10 wymiarów!

• Co z nadmiarowymi? „Zwinięte”? Czy da się to wykryć? Tak, jeśli „promień koła” dość duży. Projekty doświadczeń!

• Uwaga: teoria musi wyjaśnić sukcesy modelu standardowego jako pewnego przybliżenia.

A to jeszcze nie wszystko…

• Od dziesięcioleci wiadomo, że oprócz widocznych gwiazd i galaktyk istnieje „ciemna materia” oddziałująca grawitacją z „tym, co widać”.

• Obecne oszacowania sugerują, że tylko mała część „ciemnej materii” może być zbudowana ze znanych cząstek.

• Co gorsza, oprócz „innych cząstek” o nieznanej naturze Wszechświat wypełnia także „ciemna energia”. Nie wiemy, co to jest!

Wnioski

• Z pewnością jeszcze naszym wnukom nie braknie tematów do badania.

• Ale już do nas pasuje chińska klątwa:

Obyś żył w ciekawych czasach!