Elementarne skadniki materii Henryk Paka IFJ PAN Czym

Elementarne składniki materii Henryk Pałka, IFJ PAN

Czym są elementarne składniki materii? Fizyk redukcjonista ą z d ą z r i ły i m s a i n e i a k w Ja ziały ? k d e d o st ą z c Czy istnieje jednolita teoria (To. E) obejmująca wszystkie oddziaływania?

Skończona liczba cząstek elementarnych? Cząstki = (elementarne) składniki materii Skala logarytmiczna Historia składników materii Arystoteles 17 ? Dalton (pierwiastki) Thomson(elektron) Rutherford(atom)

Fizyka cząstek = Fizyka wysokich energii • Wysokie energie (pędy) cząstek konieczne aby : Eksp. rozproszeniowy • obserwować głeboko ukryte struktury (małe rozmiary): λ = h/p (de Broglie), Dx Dp ≤ ħ (Heisenberg) mikroskop o b. krótkiej fali • wytworzyć (z energii) nowe cząstki: E = mc 2 (Einstein) Przyśpieszanie cząstek do wielkich energii i ich zderzanie (pocisk-tarcza, pocisk-pocisk) Eksp. formacji (anihilacja cz. -anty-cz. )

Rozmiary i energie w mikro-świecie • 1 fm = 1 femtometr („Fermi“) = 10 -15 m (1 µm = 1 000 000 fm) • Energia: 1 elektronowolt = 1 e. V 1 1 Kilo-elektronowolt = 1 Ke. V = 1000 e. V Mega-elektronowolt = 1 Me. V = 1 000 e. V Giga-elektronowolt = 1 Ge. V = 1 000 000 e. V Tera-elektronowolt = 1 Te. V = 1 000 000 e. V Energia 1 Ge. V, duża w mikro-świecie, jest śmiesznie mała makroskopowo: np. rozświetli latarkę (1. 6 W) tylko przez: 0, 000 0001 sekundy

Mikroskop: przyśpieszacz (akcelerator) cząstek widzieć = zarejestrować obraz rozproszenia Źrodło światła Obiekt Pocisk tarcza detektor Rozdzielczość: [ λ = h/p, Dx Dp ≤ ħ ] ‘precyzja’ << rozmiar struktury rozmiar pocisku << struktury precyzja = 200 fm / 1 Me. V energii pocisku : 0, 2 fm przy E = 1 Ge. V = 1000 Me. V 0, 2 µm przy E = 1 e. V >0, 15µm

Proton i neutron mają strukturę wewnętrzną !!! Odkrycie (SLAC ~1970): rozpraszając e- na protonach i neutronach 1 fm • << 1 fm Energie >> 0, 2 Ge. V Podejrzenie że p i n nie są elementarne trochę wcześniej (model kwarków, ~1960 )

Jak działa akcelerator ? • Lampa kineskopowa: • Zasada działania: • Akcelerator liniowy: ILC (planowany) Fermilab

Kompleks akceleratorów w CERN

Cegiełki materii nie fundamentalne (podzielne) Kryształ Molekuła Atom Jądro atomu Proton Fundamentalne* cegiełki tworzące materię: fundamentalne (niepodzielne) Kwark (*)nie mają struktury wew. = są ‘punktowe’: d < 0. 001 fm) - elektron e- , kwark u (up – górny), kwark d (down –dolny) , związane w atomach i jądrach - neutrino ν a co to takiego?

Neutrino: ‘cząstka-duch’ Rozpad b : n p + e(1914 Chadwick) Prawo zachowania energii i pędu - przy spoczywającym neutronie : E(e-) = const sprzeczne z obserwacją: Pauli (1930): w rozpadzie musi uczestniczyć niewidzialna cząstka (ν), partner eν : bardzo lekka (m=0 ? ? ? ) • 999 999 ν/1 000 000 przebija kulę ziemską bez oddziaływań • dużo neutrin we Wszechświecie: ~400 000/m 3 (n. b. protonów jest tylko 0. 2/m 3 )

Oddziaływania cząstek Siły wzajemnego oddziaływania cząstek na siebie, wywołujace produkcję cząstek i ich rozpady Obecnie znamy 4 oddz. fundamentalne: Grawitacyjne (masy) Słabe Elektromagnet. (rozpad β) (ładunki elektr. ) Silne (jądrowe) q Skąd się te siły biorą ? q pp nn n n p n n np pn pp p pnp

Siły wymiany • ‘Partnerzy’ oddziaływania muszą mieć ‘ładunek’ electron 1 • siła oddziaływania jest skutkiem wymiany ‘cząstki pośredniczącej’ elektron 2 czas elektron 1 t 2 To jest tzw. diagram Feynmana t 1 Foton (wirtualny) przestrzeń

Elektromagnet. ‘Ładunek’ +1, -1 cz. pośredn. jej ładunek, masa γ 0 0 ładunki cz. element. zasięg sił skutki Silne 3 kolory: r, b, g +3 anty-kolory Słabe I 1 , I 2, I 3 8 gluonów ( g ) kolor, anty-kol. 0 W + , Z 0, W +1, 0, -1 70 -90 Ge. V Q(u)= 2/3 Q(d)=-1/3 Q(ν)=0 Q(e-)=-1 Q(u)= r, b, g Q(d)= r, b, g Q(ν) i Q(e-) nie istnieją I 3(u)= +1/2 I 3(d)= -1/2 I 3(ν)= +1/2 I 3(e-)=-1/2 ∞ ~1 fm ~0. 0025 fm widoczne makroskopowo niewidoczne w skali makro świecenie Słońca, radioaktywnośc

Pełny zestaw znanych obecnie cząstek elementarnych

u c t g d s b g góra dół powab prawda dziwny piękno gluon foton ne nm nt W e-neutrino m-neutrino t-neutrino e m t elektron mion tau IIIk cząste Rodz. Iiny II materii W boson Z Nośniki sił Leptony Kwarki Cząstki materii i pól sił Z boson Bozon Higgsa? Grawitacja duch w operze

Nurtujące pytania: Dlaczego 3 rodziny? skąd ta rozpiętość mass? Mass t e Mamy nadzieję że LHC dostarczy odpowiedzi na te 2 pytania d u s c b Mt=175 Ge. V ! – cięższy niż atom srebra!!

Nasze marzenie: jednolita teoria (unifikacja) Obecna granica obserwowalności

Supersymetria? Supersymmetric Partner u c t g H d s b g H ne nm nt e CMS m t W Spin 1/2 Z Spin 0 1 ~ g ~ H ~ s~ b ~ ~ ~ g H d ~ ~e ~ ~t W n nm n ~ ~ ~ m e Z t ~ ~ c~ t~ u Spin 0 Spin 1/2

Związek fizyki cząstek z kosmologią Wczesny Wszechświat: temperatura 1015 K energia czastek ~100 Ge. V Niekontrolowane zderzenia cząstek Akcelerator: energia cząstek ~100 Ge. V kontrolowane zderzenia cząstek