cząstki elementarne
1
CZĄSTKI ELEMENTARNE
cząstki trwałe p, e,
γ
,
ν
e
,
ν
µ
cząstki quasi-trwałe n
cząstki nietrwałe
µ, π
, K,
Σ, ...
τ
1/2
є
(10
−6
− 10
−23
)
s
Obecnie znanych jest
kilkaset
rodzajów cząstek wytwarzanych w
akceleratorach
Fermilab (Chicago), CERN (Genewa), SLAC (Stanford), DESY
(Hamburg)
Kryterium elementarności
•
wszystkie cząstki są elementarne
•
żadna cząstka nie jest elementarna
cząstki elementarne
2
FERMIONY I BOZONY
Rozkłady prędkości ok. 2000 atomów Rb
87
w temperaturach T
1
> T
2
> T
3
T
3
= 1,7
x
10
-7
K
T
1
T
2
T
3
kondensat
Bosego-
Einsteina
BEC
1995
Cornell
Wieman
cząstki elementarne
3
PODZIAŁ CZĄSTEK
cząstki
BOZONY
s = 0, 1, 2, ...
FERMIONY
s = 1/2, 3/2, ...
nie
oddziałujące silnie
FOTON, Z, W
LEPTONY
oddziałujące silnie
HADRONY
MEZONY
BARIONY
cząstki elementarne
4
CZĄSTKI I ANTYCZĄSTKI
•
w 1928 Dirac przewidział istnienie pozytonu
•
w 1932 Carl Anderson wykrył pozyton
. (
w promieniowaniu kosmicznym)
•
w 1995 - 9 atomów antywodoru (CERN)
•
w 2002 - 50 000 atomów antywodoru (CERN)
ślady pary cząstek, wytworzonej w wyniku procesu
kreacji, z kwantu
γ
, który wpadł od dołu do komory
cząstki elementarne
5
LEPTONY
Rodzina
leptonów
cząstka
Liczba
leptonowa
L
e
L
µ
L
τ
Spin
[ħ]
masa
[MeV]
Średni czas życia
[s]
e
−
+1
0
0
1/2
0,511
∞
Dublet
elektronowy E
ν
e
+1
0
0
1/2
< 46 ·10
-6
∞
µ
−
0
+1
0
1/2
105,7
2,2 ·10
-6
Dublet
mionowy M
ν
µ
0
+1
0
1/2
< 0,25
∞
τ
−
0
0
+1
1/2
1777
3,5 ·10
-13
Dublet
taonowy T
ν
τ
0
0
+1
1/2
< 70
?
Zasady zachowania: L
e
, L
µ
, L
τ
µ
+
→ e
+
+
ν
e
+
ν
µ
taon odkrył w 1975 Martin Perl
cząstki elementarne
6
NEUTRINA
ŹRÓDŁA
rozszczepienie jądrowe
n → p + e
−
+
ν
e
rozszczepienie jądrowe
p → n + e
+
+
ν
e
wybuchy supernowych wszystkie neutrina
DETEKCJA
p
+
ν
e
→ n + e
+
71
Ga +
ν
e
→
71
Ge + e
−
37
Cl +
ν
e
→
37
Ar + e
−
przykłady:
630 ton C
2
Cl
4
(10
29
jąder) 1 atom
37
Ar na dwa dni
30 ton Ga w GaCl
3
(10
29
jąder) 1 atom
71
Ge dziennie
w Wielkim Obłoku
Magellana
170 000 lat św. stąd
1987
cząstki elementarne
7
HADRONY
mezony B = 0 i bariony B
≠
0
Mezony, B = 0
mezony
cząstka
spin
[ħ]
masa
MeV
czas życia
(średni)
skład
kwarkowy
π
+
, π
−
0
139,57
2,6
x
10
-8
π
0
0
134,96
0,8
x
10
-16
zwykłe
η
0
0
548,8
0,7
x
10
-18
K
+
,
0
493,67
1,2
x
10
-8
dziwne S ≠ 0
K
0
0
497,7
0,9
x
10
-10
5,2
x
10
-8
D
+
0
1869
9
x
10
-13
D
0
0
1865
5
x
10
-13
powabne C ≠ 0
F
+
0
1971
2
x
10
-13
cząstki elementarne
8
HADRONY
Bariony, B = +1
bariony
cząstka
spin
[ħ]
masa
MeV
czas życia
(średni)
skład
kwarkowy
p
1/2
938,28
.>10
32
lat
zwykłe
(nukleony)
n
1/2
939,57
898
Λ
0
1/2
1115,6
2,6
x
10
-10
Σ
+
1/2
1189,4
0,8
x
10
-10
Σ
0
1/2
1192,5
5
x
10
-20
Σ
−
1/2
1197,3
1,5
x
10
-10
Ξ
0
1/2
1315
2,9
x
10
-10
Ξ
−
1/2
1321,3
1,6
x
10
-10
dziwne S ≠ 0
hiperony
Ω
−
3/2
1672,5
0,8
x
10
-10
powabne C ≠ 0
hiperon
Λ
c
Λ
C
+
1/2
2281
(2-3)
x
10
-13
cząstki elementarne
9
ŚLADY Z KOMORY PĘCHERZYKOWEJ
Zasady
zachowania:
E, p, s, q,
L
B
, L
e
, L
µ
, L
τ
komora wypełniona
jest ciekłym wodorem
1.
p + p
4
π
+
+
4
π
−
2.
π
+
µ
+
+
ν
3.
rozpad mionu
µ
+
e
+
+
ν + ν
cząstki elementarne
10
CZĄSTKI DZIWNE
Cząstki takie jak kaon (K) czy sigma (
Σ
) powstają zawsze
parami:
π
+
+ p → K
+
+
Σ
+
zachodzi
π
+
+ p →
π
+
+
Σ
+
nie zachodzi
Prawo zachowania dziwności:
Dziwność S jest zachowywana w oddziaływaniach silnych
K
+
ma S = 1 a
Σ
+
ma S =
−
1
cząstki elementarne
11
ŚCIEŻKA OŚMIOKROTNA
cząstki elementarne
12
ŚCIEŻKA OŚMIOKROTNA
cząstki elementarne
13
HIPOTEZA KWARKÓW
1964
Murray Gell-Mann i George Zweig
Kwarki
B=1/3
ładunek
Dziwność
górny
u
2/3
0
dolny
d
-1/3
0
dziwny
s
-1/3
-1
proton = uud
neutron = udd
Σ
−
= dds
n p + e
−
+
ν
e
d u + e
−
+
ν
e
cząstki elementarne
14
CHROMODYNAMIKA KWANTOWA
Bariony można opisać jako zbudowane z trzech kwarków a mezony z
dwóch.
PARTONY
Wyniki doświadczeń nad rozpraszaniem elektronów na protonach wskazują,
że w protonach występują punktowe składniki zachowujące się jak cząstki
swobodne.
Efekty relatywistyczne (dylatacja czasu) powodują, że w układzie
elektronów partony są „zamrożone”.
cząstki elementarne
15
SIŁY ODDZIAŁYWANIA KWARKÓW
Siły wzajemnego oddziaływania kwarków są na tyle
duże
, by uniemożliwić
wydostawanie się z hadronów, ale zgodnie z interpretacją rozpraszania
elektronów na protonach oddziaływania kwarków są
pomijalnie słabe
.
Hipoteza uwięzienia kwarków
Siła
oddziaływania między kwarkami
rośnie gdy rośnie odległość
między
nimi. Rosnąca nieograniczenie siła oddziaływania wiąże kwarki w taki
sposób, że skończone masy mogą mieć tylko białe układy kwarków.
↓↓↓↓
CHROMODYNAMIKA KWANTOWA
Kwantowa teoria pola opisująca oddziaływania silne
cząstki elementarne
16
KWARKI
Kwarki
(zapachy)
B=1/3
Masa
MeV/c
2
ładunek
Dziwność
S
Powab
C
górny
u
5
2/3
0
0
dolny
d
10
-1/3
0
0
powabny
c
1 500
2/3
0
1
dziwny
s
200
-1/3
-1
0
wysoki*
t
175 000
2/3
0
0
niski
b
4 300
-1/3
0
0
*) odkryty w 1995 w zderzeniach protonów i antyprotonów o energii 9·10
11
eV (0,9 TeV)
Kwarki mają liczbę spinową s = ½
Kolory:
czerwony
,
zielony
lub
niebieski
cząstki elementarne
17
ODDZIAŁYWANIA KWARKÓW
Kwarki oddziałują wymieniając gluony
Każdy gluon ma dwa kolory
...
.
,
,
,
,
,
,
c
n
n
c
z
c
n
n
z
z
c
c
Hipoteza uwięzienia koloru
W przyrodzie mogą występować tylko obiekty białe, w których
kolorowe kwarki są uwięzione.
cząstki elementarne
18
CHROMODYNAMIKA KWANTOWA
•
Gluony podobnie jak fotony nie mają masy
•
mają spin s = 1
•
różnią się tym, że mają ładunek kolorowy i mogą ze sobą oddziaływać.
•
struktura próżni powoduje przyciąganie się linii pola
chromomagnetycznego tak, że tworzą one wąską wiązkę.
cząstki elementarne
19
CHROMODYNAMIKA KWANTOWA
Odciągnięcie kwarków na odległość rzędu promienia protonu
powoduje wpompowanie do układu energii wystarczającej do
rozerwania linii pola i generacji pary kwark antykwark
cząstki elementarne
20
MODEL STANDARDOWY
chromodynamika kwantowa + oddziaływanie elektrosłabe
Cząstki materii:
1
0
,
,
,
:
leptony
3
1
3
2
,
,
,
:
kwarki
-
q
q
e
/
-
q
/
q
b
t
s
c
d
u
e
=
=
=
=
τ
ν
µ
ν
ν
τ
µ
oraz ich antycząstki.
Kolory:
czerwony
,
zielony
,
niebieski
i leptonowy
Model nie ogranicza liczby pokoleń kwarków i leptonów
cząstki elementarne
21
ODDZIAŁYWANIA
Oddziaływanie
cząstki
pośredniczące
Spin
[ħ]
Masa
[GeV]
zapach
kolor
Silne
8 gluonów g
i
1
0
-
+
Elektromagnetyczne 1 foton
γ
1
0
-
-
Słabe
3 bozony
W
+
, W
−
, Z
0
1
≈ 80
≈ 90
+
-
grawitacyjne
1 grawiton G
2
0
-
-
Ładunek
Masa GeV/c
2
W
+1 /
−
1
80,6
Z
0
91,2
bozon Higgsa spin = 0
cząstki elementarne
22
MODEL STANDARDOWY
Leptony i antyleptony (12) + kwarki i antykwarki (36),
foton i bozony oddziaływań słabych (4) + gluony (8)
+ higgson = 61
•
Kwarki podlegają oddziaływaniom silnym, elektromagnetycznym
i słabym
•
Leptony e,
µ
i
τ
- elektromagnetycznym i słabym
•
neutrina tylko słabym.
Oddziaływania leptonów i kwarków opisuje się w ramach kwantowej teorii
pola z cechowaniem
, w którym nośnikami sił są bozony wektorowe.
cząstki elementarne
23
MODEL STANDARDOWY
•
W kwantowej teorii pola na bardzo małych odległościach
znika podział na
cząstki i pola
.
•
W Modelu Standartowym jedno z pół oddziałujących słabo, pole Higgsa,
ma w próżni różną od zera energię potencjalną, co oznacza, że
próżnia nie
jest pusta
. Pozwala to wyjaśnić masy cząstek.
•
Konsekwencją takiej własności próżni jest istnienie cząstki o spinie 0
nazywanej
cząstką Higgsa
, jedynej nie odkrytej dotąd cząstki
przewidywanej przez Model Standardowy.
MS opisuje z bardzo
dużą dokładnością
wszystkie znane procesy
o energiach cząstek do
10
11
eV.
cząstki elementarne
24
GUT
TEORIA WIELKIEJ UNIFIKACJI
Oczekuje się, że określi praźródło wszelkich oddziaływań i wyjaśni,
dlaczego Wszechświat zbudowany jest tylko z materii.
Na razie (2005) wydaje się, że oba człony Teorii Standardowej (teoria
oddziaływań elektrosłabych i chromodynamika kwantowa) mogą
stanowić tylko niskoenergetyczne przybliżenie jakiejś ogólnej teorii,
w której oddziaływania silne i elektrosłabe są tym samym
oddziaływaniem.
Stałe sprzężenia dążą do wspólnej wartości dla energii rzędu 10
16
GeV