W poszukiwaniu elementarności

czyliz czego zbudowany jest świat

• Poglądy starożytnych (bo porządny wykład musi zaczynać się od starożytnych Greków)• Wczesne teorie „atomistyczne”• Budowa atomu a fizyka kwantowa (tu będzie trochę trudniej)• Odkrycia cząstek subatomowych – nadmiar szczęścia (z którym nie wiadomo co robić)• Teoria kwarków • Elementarne składniki materii – jak to widzimy dzisiaj

04/21/23 Marek Kowalski

W poszukiwaniu elementarności

Pytanie „z czego jest zbudowany świat” intrygowało ludzi od wieków

Tales z Miletu (VII/VI p.n.e.) - "Wszystko jest z wody, z wody powstało i z wody się składa"

Anaksymenes z Miletu (VI p.n.e.) – prapierwiastkiem świata jest powietrze

Heraklit z Efezu (VI/V p.n.e.) – pierwotnym tworzywem jest ogień

Empedokles z Akragas (V p.n.e.) – świat zbudowany jest z czterech żywiołów pierwotnych tzw. pierwiastków:

• wody• ognia• powietrza• ziemi

Anaksagoras z Kladzomen (VI/V p.n.e.) – świat jest zbudowany z wielkiej liczby małych cząstek

Demokryt z Abdery (V/IV p.n.e.) – świat zbudowany jest z jednolitych, niepodzielnychcząstek – atomów. Pogląd ten zwalczał m. in. Platon.

Arystoteles ze Stagiry (IV p.n.e.) – pierwiastki są obdarzone charakterystycznymi cechami


Naukę Arystotelesa przejęli Rzymianie, a później Arabowie.W średniowieczu i w czasach Renesansu nauka Arystotelesa stała siępodstawą nauki alchemików

Arabski alchemik Dzabir Ibn Hajjan (~720 - ~813) – pierwiastkami są siarka i rtęć. Metale można otrzymać przez zmieszanie tych dwóch.

Paracelsus (1493 – 1541) – teoria trzech pierwiastków – rtęć, siarka, sól.

Robert Boyle (1627 – 1691) – odrodzenie teorii atomistycznej – cząsteczkiskładają się z atomów, będących najmniejszymi porcjami pierwiastków.Atomistyczną teorię wyznawał także Izaak Newton.

Nowoczesną teorię atomistyczną sformułował w XIX w. John Dalton (1766 – 1844). Realność istnienia atomów potwierdziły prace Alberta Einsteina (1879 – 1955) i Mariana Smoluchowskiego (1872 – 1917)


Budowa atomu


Sir Joseph J. Thomson (1856 – 1940)Nagroda Nobla 1906

Thomson badał przepływ prądu elektrycznego w gazach poddanych promieniowaniu X.Wniosek – w atomie istnieją cząstki , które wyzwalane przez promieniowanie X, sąodpowiedzialne za przepływ prądu w gazach. Cząstki te nazwano elektronami.Thomson stwierdził, że masa elektronu jest 1000 razy mniejsza niż masa atomu wodoru.Naprawdę ten stosunek wynosi ~2000.

Atom według Thomsona miał być kulką materii o ładunku dodatnim, w której zanurzonesą elektrony.


Sir Ernest Rutherford (1871 – 1937)Nagroda Nobla 1908

W roku 1911 Rutherford wykonał słynne doświadczenie z rozpraszaniemcząstek α na foli ze złota

Większość cząstek rozpraszała się pod małymi kątami, ale 1 na 8000 rozpraszała siępod kątem bliskim 180 stopni.Rutherford: „To było tak, jakby piętnastocalowy pocisk, wystrzelony w kawałek bibułki, odbił się od niej i trafił w strzelającego”.

Odkrycie jądra atomowego


Dlaczego wynik eksperymentu Rutherforda był tak niezwykły?

Według modelu Thomsona wszystkie cząstkipowinny przejść przez atom jak przez masło.

Wynik eksperymentu Rutherforda wskazywał naistnienie w atomie dodatnio naładowanego jądra,skupiającego w sobie prawie cała masę

Planetarny model atomu wg. Rutherforda


Problemy modelu Rutherforda

Elektron krążący po orbicie wypromieniowuje energię, co musi skutkować jego spadkiem na jądro.

Widmo takiego promieniowania musiało by byćciągłe – musiałoby obejmować wszystkie częstości.

A co mówi na ten temat eksperyment?


Atom wodoru Bohra

Niels Bohr (1885 – 1962)Nagroda Nobla 1922

Postulaty Bohra:• elektron krąży po swojej orbicie bez emisji promieniowania i może zajmować tylko ściśle określone orbity• emisja promieniowania następuje przy przejściu z orbity wyższej na niższą ,przejście z orbity niższej na wyższą (wzbudzenie) wymaga dostarczenia określonej porcji energii

Bohr oparł się na pracach Maxa Plancka, który wykazał, żepromieniowanie jest emitowane w porcjach (kwantach)


Krótkie podsumowanie - co już wiemy?

• Atom nie jest niepodzielny – składa się z jądra i elektronów• Model Bohra wyjaśnił dyskretne widmo promieniowania atomów

Czego brakuje?

• Czy jądro atomowe składa się wyłącznie z protonów?• A co z izotopami? (jądra tego samego pierwiastka, różniące się masą)

Sir James Chadwick (1891 – 1974)Nagroda Nobla 1935

1932 – odkrycie neutronu

nCBe 10

126

94

42


Promieniowanie kosmiczne – wczesne laboratorium

Wzrost jonizacji powietrza wraz z wysokością jest spowodowany przezpromieniowanie jonizujące pochodzące spoza Ziemi (1912).

Victor F. Hess (1883 – 1964)Nagroda Nobla 1936

Badanie promieniowania kosmicznego doprowadziło do odkrycia wielu nowych cząstek

Potwierdzenie eksperymentalne - 1933


Liczba cząstek nam rośnie…

1932 – mamy: e- ,p, n, ale czy to wszystko?

Paul A. M. Dirac (1902 – 1984)Nagroda Nobla 1933

Dirac przewidział istnienie antycząstek.

Carl D. Anderson (1905 – 1991)Nagroda Nobla 1935

skąd wiemy, że to pozytron?-> zachowuje się jak elektron, alema przeciwny ładunek elektryczny-> zakrzywienie toru w polu magnetycznym

1932 – odkrycie pozytronu (antyelektronu)


To nadal nie wszystko…

Wolfgang Pauli (1900 – 1958)Nagroda Nobla 1945

Zagadka rozpadu β (emisja e-)Gdyby rozpad β wyglądał tak:

elektron musiałby mieć zawsze taką samą energię(ambitni mogą policzyć).

A w rzeczywistości… Hipoteza Pauliego – rozpad β jest rozpadem trójciałowym –istnieje dodatkowa cząstka, neutrino, słabo oddziaływującaz materią. Pauli uważał, że hipoteza istnienia neutrinato szalony pomysł teoretyka i że nigdy nie zostanie ono odkryte.Neutrino odkryto w 1956.


Tajemnicza cząstka Yukawy…

Hideki Yukawa (1907 – 1981)Nagroda Nobla 1949

Dla wyjaśnienia sił pomiędzy nukleonami konieczna jestdodatkowa cząstka o masie ~200 me (1935). Yukawa nazwałtą cząstkę „mezonem”.

W 1936 roku Anderson odkrywa w promieniowaniu kosmicznym cząstkę o masierównej 207 masom elektronu. Czy to postulowany przez Yukawę mezon???

NIE!!! Nowa cząstka bardzo słabo oddziaływała z materią.

Nowa cząstka (dzisiaj nazywamy ją mionem) nie pasowała do niczego.Isidor Raabi – „kto to zamawiał ?”


Odkrycie mezonu π

Cecil F. Powell (1903 – 1969)Nagroda Nobla 1950

Co widać na tym obrazku?Mezon π, poruszający się z lewej do prawejrozpada się w punkcie A na mion (μ) i jeszcze „coś”

W 1946 roku Powell, Lattice i Ochciallini zaobserwowalirozpad nowej cząstki, silnie oddziaływującej z materią.Nowa cząstka miała masę ~270 me. To była poszukiwanacząstka Yukawy, którą nazwano mezonem π (pionem)

π

μ

A


Odkrycie cząstek dziwnych

George Rochester (1908 – 2001)

Razem z Cliffordem Butlerem zaobserwowali w promieniowaniu kosmicznymnową, nietrwałą, neutralną cząstkę, którą nazwali „V”, od topologii rozpadu.Wkrótce potem stwierdzono, że takie cząstki żyją stosunkowo długo i są produkowanewyłącznie w parach. Aby wytłumaczyć tą własność, nowej cząstce przypisano cechę, nazwaną „dziwnością”.


A potem to już się sypnęło jak z rogu obfitości…

Rozwój techniki akceleratorowej zaowocował odkryciem olbrzymiej liczby czastek

No i gdzie tu ta elementarność? Zaczęliśmy od jednego atomu, a mamy bałagan.No i gdzie ta elementarność???


Przełomowa hipoteza Gell-Manna

Wszystkie hadrony (cząstki oddziaływujące silnie) można zbudować z trzech rodzajów cząstek, nazwanych kwarkami.

Murray Gell-Mann (1929 - )

Nagroda Nobla 1969

Zaskakującą cechą kwarków był ich ułamkowy ładunek elektryczny!

u (up) – q = 2/3d (down) – q = -1/3s (strange) – q = -1/3

Z tych trzech kwarków można było złożyć wszystkie znane ówcześnie hadrony!np proton->(uud), neutron ->(udd), Λ->(uds)

Pracę przyjęto w Physics Letters dodruku tylko dlatego, że autorem był Gell-Mann


Sukces modelu kwarków – odkrycie cząstki Ω-

Model kwarków przewidywał istnienie cząstki złożonej z trzech kwarków s.Cząstkę taką odkryto w BNL w 1964 r.

0KKpK

0

00

p

ee ee


Czy kwarki rzeczywiście istnieją?

Wszystkie eksperymenty poszukujące swobodnych kwarków dały wynik negatywny…

Ale… w 1967 – eksperymenty w Stanford (SLAC) wykazały kwarkową strukturę protonu

Czy kwarki są tylko obiektami matematycznymi, zbiorem liczb pozwalających na statystyczne uszeregowanie cząstek? Taki pogląd był dość rozpowszechniony.

Richard Taylor (1929 - )Henry Kendall (1926 – 1999)Jerome Friedman (1930 - )

Nagroda Nobla 1990

Ładunek elektryczny protonu jest zgrupowany w trzech obiektach o ładunkach2/3, 2/3 i -1/3


Eksperyment Friedmana, Kendalla i Taylora wykazał jeszcze coś…

Jeżeli mamy proton o pędzie P, to zsumowany pęd wszystkich kwarków daje ½ P

Gdzie jest reszta???

Reszta, to tzw. gluony, cząstki odpowiedzialne za oddziaływania między kwarkami.Istnienie gluonów potwierdziły eksperymenty przeprowadzone w latach 70-tychna akceleratorze PETRA w Hamburgu.

Gluonom i kwarkom przypisano jeszcze jedną cechę, analogiczną do ładunku elektrycznego – tzw. ładunek kolorowy, w skrócie – kolor.

O. W. Greenberg (1932 - ) Y. M. Han (1934 - ) Y. Nambu (1921 - )

Nagroda Nobla 2008


A kwarków nadal nie widać…

Skoro kwarki nie występują jako cząstki swobodne, to widocznie nie mogą…

Frank Wilczek (1951 - ) David Gross (1941 - ) David Politzer (1949 - )

Nagroda Nobla 2004

Siła oddziaływania między kwarkami jest:

Mała na niewielkich odległościach (<< 1 fm = 10-15 m)

Asympto

tyczn

a swoboda

Rośnie ze wzrostem odległości


I co my teraz mamy…

sd

u Dublet kwarków + dodatkowy kwark s

Chyba czegoś tutaj brakuje

Oprócz elementarnych (pozbawionych struktury wewnętrznej) kwarkówmamy, również pozbawione struktury wewnętrznej e, μ, νe (ogólnie – leptony)

e

e

Tutaj też czegoś brakuje

Dublet leptonów I generacji + mion


Leon Lederman (1922 - )

Druga generacja leptonów

Jack Steinberger (1921 - ) Melvin Schwartz (1932 - )

Nagroda Nobla 1988

e

e

Odkrycie neutrina mionowego

e


Druga generacja kwarków

Sam C. Ting (1936 - ) Burton Richter (1931 - )

Nagroda Nobla 1976

Odkrycie czwartego kwarku (c – charm – powabny)

s

c

d

u

Teraz mamy bardzo ładną, symetryczną sytuację…


No to żeby nam nie było za dobrze…

Martin Perl (1927 - )Nagroda Nobla 1995

Jest jeszcze jeden lepton, cięższy od już znanych – nazwano go τTo odkrycie implikuje istnienie odpowiedniego neutrina…

A Leon Lederman odkrywa piąty kwark (b – beauty – piękny)…

bs

c

d

u

e

e


Czy tego przypadkiem już nie braliśmy?

Zaczęliśmy od jednej generacji kwarków i leptonów, a tutaj nam się zaczęły mnożyć…

Ile ich jeszcze będzie? – Trzy, cztery, pięć?

Eksperymenty na akceleratorze LEP w CERN wykazały, że istnieją tylko trzy generacje.

teoria eksperyment


Trzecia generacja

1995 – w FERMILAB (USA) odkryto szósty kwark (t – top – szczytowy)2000 – w FERMILAB (USA) odkryto trzecie neutrino ντ

b

t

s

c

d

u

e

e

I to są najbardziej elementarne składniki materii

Do zbudowania całej znanej nam materii wystarczy pierwsza generacja.Po co w takim razie istnieją dwie dodatkowe? – Nie wiadomo.


Ten zestaw trzeba jeszcze uzupełnić

Oprócz cząstek – składników materii, istnieją jeszcze cząstki odpowiedzialneza oddziaływania między nimi.

Brakuje nam tutaj jeszcze cząstki Higgsa, którajest odpowiedzialna za to, że cząstki mają masę.Nie wiemy, czy cząstka Higgsa jest elementarna (nie ma struktury).

Podsumowanie


• Elementarnymi składnikami materii są kwarki i leptony• Istnieją trzy generacje (rodziny) kwarków i leptonów (ale do zbudowania świata potrzebna jest tylko jedna)• Istnieją cząstki odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań:

słabych – bozony W i Z elektromagnetycznych – foton silnych - gluony

A czego jeszcze brakuje? cząstki Higgsa, nadającej masę grawitonu – cząstki przenoszącej oddziaływania grawitacyjne

Straciliśmy elegancję – był jeden, niepodzielny atom…a teraz mamy:

• 6 leptonów, 6 kwarków• gluony, foton, bozony W/Z• hipotetyczny bozon Higgsa (?)• hipotetyczny grawiton

Zyskaliśmy: te cząstki rzeczywiście są elementarne – nie maja struktury wewnętrznej

jeszcze nie mamy pewności,czy odkryta w CERN cząstka to rzeczywiście bozon Higgsa

W poszukiwaniu elementarności

Documents

Transcript of W poszukiwaniu elementarności