FIZYKA III MEL Fizyka jdrowa i czstek elementarnych

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 6 – cząstki elementarne i oddzialywania

co jest elementarne? atom jądro 10 -10 m nukleon 10 -15 m 10 -14 m elektron brak struktury! kwark

elementarność. . . 1897 – elektron (J. J. Thomson) 1905 – foton (A. Einstein) 1911 – jądro (E. Rutherford) 1919 – proton (E. Rutherford) 1928 – pozyton (P. A. M. Dirac) 1931 – neutrino (W. Pauli) 1932 – neutron (J. Chadwick)

elektron Thomson (1895) – promienie katodowe elektroliza emisja elektronów czas życia: masa: ładunek: barionowy: leptonowy: spin: stabilny m = 0. 511 Me. V z = -1 B=0 L=1 J=½ moment magnetyczny: P. A. M. Dirac

proton Rutherford (1919) – emisja po reakcji + N czas życia: masa: ładunek: barionowy: leptonowy: spin: stabilny m = 938. 27 Me. V z=1 B=1 L=0 J=½ moment magnetyczny: struktura?

foton A. Einstein (1905) – efekt fotoelektryczny czas życia: masa: ładunek: barionowy: leptonowy: spin: energia, pęd: stabilny m=0 z=0 B=0 L=0 J=1

neutron Chadwick (1930) czas życia: masa: ładunek: barionowy: leptonowy: spin: = 14. 8 min, n p + e + e m = 939. 57 Me. V z=0 B=1 L=0 J=½ moment magnetyczny:

pozyton P. A. M. Dirac (1928) – relatywistyczne równanie • spin falowe • moment magnetyczny • oraz energia: mc 2 cząstka (elektron) 0 -mc 2 dziura (pozyton) Carl Anderson (1932) – odkrycie w komorze mgłowej z polem B

kreacja pary pozyton foton elektron h min = 2 mec 2 1. 02 Me. V

lawiny fotonowo-elektronowe

anihilacja foton elektron pozyton foton • hamowanie • pozytonium • anihilacja • 2 fotony E 0. 5 Me. V

neutrino Pauli (1931) – przewidział istnienie na podstawie analizy rozpadu czas życia: masa: stabilny m = 0 ? (< 3· 10 – 6 Me. V) ładunek: z=0 barionowy: B=0 leptonowy: L=1 spin: J=½ moment magnetyczny: = 0 Reines, Cowan (1957) – odkryli neutrino

więcej cząstek. . . 1938 – miony (C. Anderson i S. Neddermeyer – promieniowanie kosmiczne) • m 200 me = (105 Me. V) • oraz + (antycząstka) • są nietrwałe – czas życia: 2. 5 10 -6 s rozpady mionów: 1947, fotoemulsja: e + + e + e+ + e + 1962 – dwa rodzaje neutrin: elektronowe i mionowe: (e, e), ( , ). . . a potem jeszcze taonowe ( , )

odkrycie taonu SPEAR (energia zderzenia w środku masy = 4 Ge. V) e+ + e + + + + + e+ + e +

więcej cząstek. . . Mezony (piony) Powell (1947) – promienie kosmiczne + emulsja jądrowa m 150 Me. V + + + e+ + e + + (e+ + e + ) e+ e Istnieje oraz + (antycząstka)

0 w komorze pęcherzykowej + Xe 0 +. . . 0 + T = 3. 5 Ge. V

pierwsza fotografia cząstki Vo wtórne kosmiczne, h = 0 komora mgłowa B = 0. 35 T, (Manchester Univ. ) Ko G. D. Rochester i C. C. Butler; Nature, 160, 855, (1947) π- m. V = 500 600 Me. V = 10 -11 10 -9 s π+ Mezon K 0 – cząstka dziwna

wśród produktów rozpadu też: protony o p+ 180 Me. V – proton p- 190 Me. V – pion p m. V 1130 Me. V Hiperon 0 – cząstka dziwna π-

K + p hiperon omega e e+ e+ K + p + K + + K o p 0 = 5 Ge. V/c o o Ko p e o o + o o K o + o p + Dziwność o 2 2 ( e += e-3+ ) N. Samios, BNL (1964) komora Glasera H 2, 80’

Model Standardowy Do chwili obecnej odkryto około dwieście cząstek (z których większość nie jest cząstkami elementarnymi). Model Standardowy – teoria opisująca wszystkie cząstki i oddziaływania między nimi za pomocą: • 6 kwarków • 6 leptonów • cząstek przenoszących oddziaływania Każdej cząstce odpowiada antycząstka

kwarki (spin = ½) i leptony (spin = ½) aromat (flavour) masa [Me. V] ładunek lepton masa [Me. V] ładunek u – up górny 1. 5 4. 5 +2/3 e - elektron = 0. 511 -1 d – down dolny 5. 0 8. 5 -1/3 ν - neutrino elektronowe 0 < 3. 0 10 -6 0 c – charm powabny 1. 0 1. 4 103 +2/3 μ -mion = 2. 20· 10 -6 s 105. 7 -1 s – strange dziwny 80 155 -1/3 νμ – neutrino mionowe 0 < 0. 19 0 t – top wierzchni 174. 103 +2/3 τ - taon = 2. 91· 10 -13 s 1777. 0 -1 -1/3 ντ – neutrino taonowe 0 < 18. 2 0 b – bottom 4. 0 spodni 4. 5 103 Cząstki z różnych rodzin różnią się zapachem. PPb 2002

Hadrony Z kwarków zbudowane są hadrony: • z trzech kwarków – bariony • z kwarku i antykwarku - mezony

Bariony Większość masy hadronu to energia wiązania kwarków.

Masa hadronu Kupujemy 1 kg jabłek. . . (masa protonu 1 Ge. V) . . . a w domu z torby wysypujemy 3 maleńkie jabłuszka – tylko 12 g! (masa kwarków 0, 012 Ge. V)

Mezony

Leptony = (e, e), ( , ) + antycząstki są fermionami oddziałujacymi słabo, Liczba leptonowa: Le L L e , e +1 , +1 e+, e 1 +, 1 inne 0 Cząstki należące do różnych rodzin różnią się zapachem.

Rozpady leptonów Elektron i 3 rodzaje neutrin – trwałe Mion i taon - nietrwałe Liczby elektronowe, mionowe i taonowe są zawsze zachowane, gdy ciężki lepton rozpada się na mniejsze leptony. Czy te rozpady są możliwe? Liczba mionowa niezachowana Energia niezachowana

Oddziaływania Wirtualne cząstki przenoszące oddziaływanie Zasada nieoznaczoności: Próżnia wypełniona jest powstającymi i znikającymi cząstkami wirtualnymi. czas 1 cząstka wysyła i pochłania cząstki wirtualne 1 cząstka wysyła, a 2 cząstka pochłania cząstki wirtualne

Odziaływanie elektromagnetyczne • Działa na ładunki elektryczne • Odpowiedzialne za wiązania chemiczne • Nośnik – foton ( ) • Zasięg – nieskończony

Odziaływanie silne • Działa na ładunki kolorowe • Odpowiedzialne za wiązanie kwarków w barionach • Nośniki – gluony • Zasięg – 10 -15 m (odległość typowa dla kwarków w nukleonie)

Odziaływanie silne Kwarki mają ładunek kolorowy B G R G R Istnieją tylko cząstki o całkowitym ładunku kolorowym równym zeru. Uwięzienie kwarków (kolorów) B

Oddziaływanie między elektronami maleje wraz z odległością Oddziaływanie między kwarkami rośnie wraz z odległością

Uwięzienie kwarków • Oddziaływanie między kwarkami rośnie wraz z odległością. • Próba rozdzielenia kwarków prowadzi do wytworzenia nowej pary kwark-antykwark (jest to proces korzystniejszy energetycznie). mezon D- mezon D+ mezon c Zamiana energii na masę

Oddziaływanie kolorowe Gluony muszą mieć ładunek kolorowy oraz ładunek antykolorowy, gdyż zmieniają one zawsze dany kolor w antykolor. q g q Ładunek kolorowy jest zawsze zachowany. 8 gluonów - 8 stanów kolorów – superoktet (SU 3)

Oddziaływanie słabe • Odpowiedzialne za rozpad ciężkich kwarków i leptonów na lżejsze kwarki i leptony (zmiana zapachu). • Cząstki przenoszące oddziaływanie słabe to bozony: W+, W- i Z 0. Masy W+, W- i Z 0 duże (~80 Ge. V) Zasięg mały Oddziaływanie słabe i elektromagnetyczne opisuje jednolita teoria oddziaływań elektrosłabych.

Oddziaływania elektrosłabe Małe odległości (10 -18 m) wielkie energie Oddziaływania słabe i elektromagnetyczne porównywalne. Większe odległości (3 • 10 -17 m) Oddziaływanie słabe jest 10 -4 razy mniejsze niż elektromagnetyczne

Słaby rozpad e e W e e W rozpadzie pośredniczy bozon W-

Oddziaływanie grawitacyjne • Działa na każde ciało • Odpowiedzialne za istnienie planet, gwiazd, galaktyk. . . • Nośnik (hipotetyczny) – grawiton? • Zasięg – nieskończony Brak teorii, która wiąże oddziaływanie grawitacyjne z innymi rodzajami oddziaływań – jeden z głównych nierozwiązanych problemów kosmologii.

Oddziaływania grawiton (? ) elektrosłabe γ W+ WZo silne (kolorowe) masa [Ge. V] ładunek 0 80. 4 91. 2 0 +1 -1 0 ggluon masa [Ge. V] ładunek 0 0 superoktet SU(3) 8 stanów koloru Literatura: • http: //chall. ifj. edu. pl/przygodazczastkami/frameless/index. html • http: //www. wiw. pl/fizyka/boskaczastka/ • L. Lederman „Boska cząstka”