Wstęp do fizyki cząstek elementarnych

Ewa Rondio

cząstki elementarne• krótka historia• pierwsze cząstki • próby klasyfikacji• troche o liczbach kwantowych• kolor• uwięzienie kwarków• obecny stan wiedzy• oddziaływania• składniki Modelu Standartowego

Krótka historia1905 – A. Einstein wyjaśnił obserwowany efekt fotoelektryczny postulując, że światło jest strumieniem kwantów energii

fotony

1923 – Compton badał rozpraszanie fotonów na elektronach

Rys F. Żarnecki

Fotony niosą nie tylkoenergię, ale i pęd - jak cząstki.

Eγ =hv

badanie cząstek zderzenia

rozpraszanie Rutherforda

hipotez jądra atomowego stad już blisko do protonu, potem neutron ...

pierwszy etapfoton, elektorn, jądro atomu

• – potem jego składniki: proton i neutron• potem cząstki obsewowane w

promieniowaniu kosmicznym• przyspieszanie cząstek i produkcja nowych

produkcja nowych cząstek w zderzeniach

• cząstki naładowane można przyspieszac, kierować ich ruchem i zderzać z “tarczą”

• najlepsze pociski to protony lub elektrony (sa naładowane i trwałe, mozna je łatwo zbierac i przyspieszać)• obserwujemy co powstaje • w miarę wzrostu dostępnych energii można

produkować coraz cięższe cząstki

Zderzenie dwóch

obiektów o dużej energii

• Powstaje wiele obiektów , niektóre

zupełnie inne niż te które się zderzyły

pojawiają się coraz to nowe cząstki

LHC

coraz więcej “cząstek elementarych”...

cząstki o spinie całkowitym MEZONY

π +,π − ,π 0

K + ,K − ,K 0 ,K 0

ρ + ,ρ − ,ρ 0

η ,ω......

p,n

Λ,Σ+,Σ−,Σ0

Ξ+,Ξ−,Ξ0

Ω,....

cząstki o spinie połówkowym BARIONY

potrzeba uporzadkowania, może te cząstki mają bardziej elementarne składniki ????

propozycja Gel-Manna:

q=-1/3

q=-1/3

q=+2/3

wszystkie znane wówczas sząstki można “poskładać” z 3 cegiełek o dość dziwnych własnościach•między innymi ich ładumek musi być ułamkowy (1/3 i 2/3)

np.proton =uud

u d

s

hipoteza wydawała się dziwna, ale wprowadzała porządek i miała bardzo ciekawe własności symetrii

mezony (spin 0,1..) składają sięz pary kwark- anty kwark

bariony (spin ½, 3/2...) składają sięz trzech kwarków

wszystkie cząstki dało się wpisac w takie rodziny (8, 12..), ale nie wszystkie miejsca były pełne

taki model pozwala opisac zachowanie cząstek i wyjaśnić niektóre ich własności

taki rozpad możliwyjeśli “wystarczy energii”

po sprawdzeniu mas wiemy, że nie wystarczy

dlatego kwarki s musza“zniknać”to wydłuża proces

przykład:

jak budujemy, tesujemy hipotezyczy dla każdej cząskti znajdujemy miejsceczy ten opis nie łamie zadnych podstawowych praw?

tu okazało się, że jest problem:istniała cząskta

Δ++ =uuujej “zbudowanie” wymaga 3 kwarków takich samych (u)•równolegle ustawionych spinach (spin cząstki jest 3/2)

to jest sprzeczne z zakazem Pauliego (2 fermiony nie moga sie znajdować w tym samym stanie)

trzeba wprowadzic liczbe kwantową którą będą sie różnić !!!!

aby cząskta mogła istnić kwark u musi występować w trzech “wersjach”

przez analogie do optyki dla liczby kwantowejrozróżniającej te 3 wersje przyjęto nazwę KOLORkwarki występują w 3 kolorachobserwowane cząstki bariony i mezony nie niosą liczby kwantowej koloru są BIAŁE

Δ++

takie wyjaśnienie uratowało model, a przy okazji dostarczyło argumentu dlaczegow naturze obserwujemy tylko “trojki krarków” i pary kwark-antykwark

obserwowane cząskti “są białe” jak to wyjaśnić???

przy pewnej odległości energia struny bardzo duża może się zamienic na masę nowej pary kwark-antykwark

E =mc2

teraz mamy stare i nowe kwarki, które mogą tak się zgrupować aby powstały 2 białe cząstki

barion = 3 kwarki biały

mezonkwark-antykwarkbiały

jesli odsuwamy kwarki naciąga sie miedzy nimi struna kolorowaim dłuższa struna tym większą ma energię

kwark ma kolor, oddiaływania między kwarkami to oddziaływania obiektów kolorowych

czy inne obserwacje potwierdzają model kwarków i istnienie koloru?

• dopuszczenie cząstek składających sie z 3 kwarków różniacych sie tylko kolorem pozwala opisać cząstke

i

dla 3 rodzajów kwarków należy się też spodziewać cząstki zbudowanye z sss

gdy wprowadzano kwarki takiej cząstki nie znanojej masa została przewidziana na podstawie modelui w krótkim czsie ją znaleziono jest to cząstka jej obserwacja bardzo wzmocniła model kwarków

Δ++ =uuu

Δ− = ddd

Ω−

barion = 3 kwarki biały

mezonkwark-antykwarkbiały

dalsze badania wykazały, że jest jeszcze czwarty kwark, potem odkryto jeszcze 2tak wiec mamy 6 kwarków tworzacych 3 pary : ładunek -1/3 i ładunek 2/3 każdy kwark występuje w 3 kolorach

z takiego zestawu kwarków można zbudować wszystkie znane dziś HADRONY

bariony i mezony uczestniczą w oddziaływaniach silnych = hadrony

dołożenie czwartego kwarka powoduje, żedotychczasowe rodzinycząstek poszerzają się(nowa oś c )

• czy to wszystkie “cząstki elementarne” ??• wiemy, że NIE elektron nie jest hadronem, nie składa się z kwarków

LEPTONY– cząstki, które nie biorą udziału w oddziaływaniach silnych (biorą w słabych i jeśli mają ładunek to w elektro-magnetycznych)

pierwszy odkryty lepton elektronteraz wiemy, że leptonów jest 6, tworzą pary: naładowany – neutralny (neutrino) o nich będzie poźniej

czy teraz juz may wszystkie składniki?• wiemy, że nie, bo w naszej klasyfikacji nie ma

FOTONU• to nośnik pola (elektro-magnetycznego)

DiagramyFeynmana

cząstki komunikiją się przez wymianę cząstki przenoszącej oddzalywanie

prezentacja graficzna:

oddziaływanie to wymiana “nośnika” = kwantu pola

potwierdzenie istnienia kolorupomiar stosunku przekrojów czynnych w oddziaływaniu e+e-

D. Kiełczewska, wykład 1

Model Standardowy – opis cząstek i ich oddziaływań

e

e

m

m

udu u d

c cdc s

s

t tsb tb b

To są wszystkie(obecnie znane)cząstki elementarne

Podlegajątym samym UNIWERSALNYMprawom fizyki

D. Kiełczewska, wykład 1

Generacja I Generacja IIModel Standardowy w kolorach

Bosonypośredniczące

0Z γW

W +

gluony

c cc

Generacja III

b b

tt t

b

Leptony mmee

Kwarki ud ssd

uusd