Normal text click to edit Partikkelfysikk Bjarne Stugu

Normal text - click to edit Partikkelfysikk Bjarne Stugu Institutt for fysikk og teknologi Universitetet i Bergen

Disposisjon Normal text - click to edit 1) Hva vi vet i partikkelfysikk (historisk oversikt). 2) Introduksjon til moderne partikkelfysikk 3) Link til astrofysikk/kosmologi

Kilder Normal text - click to edit • Eget materiale og kompendium, som bl. a. bygger på – Wikipedia – Andre presentasjoner – Lærebok: Martin & Shaw: “Particle Physics” • Diverse materiale fra CERN

Normal text - click to edit Del 1, En historisk oversikt

Men Det må finnes noen hvordan minste udelelige skapes dyr ATOMERNormal som er textog- planter click to av det materiens smuldrende byggestener! støvet? ? Smuldrer alt opp til mindre og mindre edit støvkorn?

Hva er materie? Normal text - click to edit • Atomer postulert allerede av Demokrit – Hvis det ikke fantes noen minste byggestener, så ville alt smuldre opp (jeg har lest argumentet i ’Sofies verden’) – Stemmer dette for kollisjoner ved høye energier?

Demokrit hadde rett, atomene er udelelige i naturlige jordiske fenomener Normal text - click to edit • Atomene er små, og andre teorier var plausible, så rundt ca år 1890 var atomteorien fortsatt ikke bekreftet.

Energiskalaer på mikronivå (1 e. V = 1, 6 x 10 -19 J) Normal text - click to edit • Gassmolekyl ved romtemperatur: – E = k. T = 0, 025 e. V (k er Boltzmanns konstant) • Molekylær og intermolykelær bindingsenergi – Van der Waals bindinger: ~0, 01 -0, 1 e. V – Kovalent og ionebinding: 1 -10 e. V > k. T • Atomær ionisasjonsenergi: 1 -20 e. V >>k. T • Radioaktiv stråling: 0, 5 – 10 Me. V >>> k. T

Discovery of the electron e- 1897 Electrodes D+E : electric field External coils: magnetic field e- J. J. Thomson Cathode ray experiments (~ TV) 'Rays' are charged corpuscles* with unique charge/mass ratio e- *later called 'electrons' Electrons are sub-atomic particles! His 'plumpudding' model of the atom (1904)

Atom Botanikeren Brown så på pollen i vann, og trodde først at dette var tegn til liv, men fant senere at inorganisk støv oppførte seg på samme måte Robert Brown (1827) observes random walk of small particles suspended in a fluid Albert Einstein (1905) explains by kinetic theory that the motion is due to the bombardment by molecules Francois Perrin (1907) uses Einstein's formula to confirm theory and measure Avogadro's number The existence of atoms was proven 1905

Rutherfords eksperiment: alfapartikler på gullfolie Normal texter som - click Dette skjer hvis materie en grøt med rosiner to edit Dette observerte Rutherford, noe som passer med tunge kjerner Fra “Wikimedia Commons”

Hvor dypt kunne Rutherford se inn i materien? Typisk energi på en α-partikkel er 4 Me. V =1/2 mv 2 Normal text - click to edit

Bohrs atommodell • Atomer. Normal som mini solsystem, men tunge text - click to edit positive kjerner og kretsende elektroner • Bare visse baner var tillatte (de som gav et helt antall (de Broglie) bølgelengder. • Bohr radien = 0, 5 Ångstrøm • Uakseptabel teori i lys av elektromagnetisme.

Den kvantemekaniske revolusjon Normal text - click to edit • Schrödinger energiligning. – • • (Etot = Ekin+ Epot etter visse regler) Finner bestemte energinivåer, men postulerer at partikkelbaner ikke kan bestemmes eksakt. Faststoff-fysikk, kjerne+partikkelfysikk og kjemi er basert på kvantemekanikk. • Har bestått alle tester

Illustrasjon av bølgefunksjon (under). Elektron-og kjerneskyer for helium (til venstre) Normal (figurer fra Wikipedia) text - click to edit

I 1932 er atommodellen godt etablert Normal text - click to edit • Tunge kjerner med nøytroner og protoner • Elektroner i ”skyer” omkring, beskrevet etter kvantemekaniske prinsipper

Hvor lenge var Adam i paradis? Normal text - click to edit Til 1933, da ble positronet funnet. – Forutsagt av Dirac noen år tidligere gjennom sin relativistiske kvantemekanikk. – Alle partikler har sine antipartikler med motsatt ladning , mens alle andre egenskaper er beholdt. (noen nøytrale partikler er sine egne antipartikler)

e+ Fields ‘Electromagnetic’ interaction Discovery of the positron Dirac was right! Anderson (1932)

β-stråling dn/d. E Normal text - click to edit Emax 0, 5 -1 Me. V E Kontinuerlig energispektrum, midlere E = 1/3 Emax Er energien bevart? Bare hvis en postulerer en ny partikkel, nøytrinoet.

Er protonet en elementæpartikkel? Normal text - click to edit • Rutherfords eksperiment på nytt, men med høyere energi. Hva skjer? – Mange nye partikler, bl. a særpartikler. – Protonet har utstrekning – Protonet har struktur – Kvarkmodell (1964)

Discovery of quarks Electron-Proton scattering Normal text - click to edit 1956 Hofstadter: measured finite proton radius Stanford Linear Accelerator Centre 1967 Friedmann, Kendall, Taylor (SLAC): ‘hard scattering’ of electron on three ‘point-like particles’ Measured cross-sections perfectly compatible with presence of 2 up- and 1 down-quark in proton

CERNs ISR (R. I. P. ) Intersecting Storage Rings Normal text - click to edit p-p kollisjoner i 8 punkter

Normal text - click to edit Kjell Johnsen 1921 -2007

. 1. Progress report on the development of a method to detect fractional charges in water and its application to a search for quarks at the ISR Von Dardel, G; Henning, S; Malmenryd, G CERN-ISRC-70 -33 -Add-1. - Geneva : CERN, 1 Oct 1971. - 4 p Fulltext Detailed record - Similar records 2. Search at the ISR for quarks produced at small angles - Rome-CERN Collaboration. CERN-ISRC-70 -30. - Geneva : CERN, 7 Dec 1970. - 2 p Fulltext Detailed record - Similar records 3. Search for quarks at the ISR Albrow, M G; Clegg, A B; Sens, J C- CERN-Holland-Lancaster-Manchester Collaboration. CERN-ISRC-70 -16. - Geneva : CERN, 15 Sep 1970. - 4 p Fulltext Detailed record - Similar records 4. The use of a special gate to search for quarks at the ISR in events of favourable topology - Pisa. Stony Brook Collaboration. CERN-ISRC-69 -12 -Add-1. - Geneva : CERN, 8 Dec 1970. - 14 p Fulltext Detailed record - Similar records 5. Search for quarks at the ISR - Saclay-Strasbourg Collaboration. CERN-ISRC-69 -11 -Add-5. - Geneva : CERN, 7 Jan 1971. - 3 p Fulltext Detailed record - Similar records 6. Search for quarks in the British-Scandinavian large angle spectrometer - British-Scandinavian Collaboration. CERN-ISRC-71 -9. - Geneva : CERN, 1971. - 15 p Ful

Normal text - Man søkte videre etter kvarker: f. eks ved å skyte dem ut av protonet med click tonøytrinoer edit Kvarker er aldri frie partikler

Ikke frie kvarker, men Normal text - click to edit • Baryoner, som består av tre kvarker • Mesoner, som består av en kvark og en antikvark. • Leptoner, som elektronet, som er en ”punktpartikkel”

Status 1970 Normal text - click to edit Mange partikler Noen partikler var 'sære' --> Nytt kvantetall Sterke, svake og elektromagnetiske krefter Kvarkmodell, med tre typer kvarker: u, d og s som gjorde en ganske god jobb med å klassifisere partiklene

Klassifisering av noen baryoner etter ladning og særtall Normal text - click to edit

En kollisjon mellom kvarker: Normal text - click to edit

Elektron-positron kollisjoner Mange maskiner: Normal. USA, text -Japan, click. Tyskland to edit Sovjetunionen, og til slutt også ved CERN

Normal text - click to edit

Partiklers levetid Heisenbergs usikkerhetsrelasjon Normal text - click to edit Partikkelvidde Er en sum av delvidder som gir sannsynlighet til henfall til forskjellige slutt-tilstander

Resonans e+ e - (kvarker) hadroner Normal text - click to edit Γ m

Svært smale og skarpe resonanser i virkningstverrsnittet, på grunn av nye kvarker Normal text - click to edit

PARTICLE SPECTRUM And the charm quark was to be discovered soon afterwards : The NOVEMBER REVOLUTION (11 November 1974) Two groups discovered ~ simultaneously a new particle, which they called 'Psi' at SLAC (Burt Richter) and 'J' at Brookhaven (Sam Ting). The J/psi resonance was 'long-lived' (~10 -20 sec). It could only decay by weak interactions, preferably into an s-quark. This explains the narrow peak. 1974

Ikke (u, d, s) Normal text - click to edit Men ?

Electro-weak Interaction Fields 1970 Milestone paper (Glashow, Iliopoulos, Maiani) Normal text - click to edit Quarks u d c s Leptons e- νe µ- νμ This was now called the 'Standard Model' (with two families)

Flere resonanser b-kvarker oppdaget i 1977 en femte kvark Senere: upsilon-resonanser Normal text - click to edit GWS: Da må det være slik

Fermilab: Produksjon av μ+ μ- par i proton kollisjoner på tungt target Normal text - click to edit

Og helst et lepton til Normal text - click to edit Tau-leptonet ble også funnet i elektron-positron kollisjoner i 1977

Glashow-Weinberg-Salam modell (1967): Higgsmekanisme tas med i svake vekselvirkninger Dubletter av kvarker og leptoner Normal text - slik clicksom to edit en kvante-felt-teori, QED Vekselvirkningspartikler med kort rekkevidde og høy masse: W, Z Higgs-partikkel Elektrosvak teori

Hvor er W og Z bosonene til GWS? Normal text click to edit CERN kommer sterkt tilbake: Antiproton-proton kollisjoner i CERNs SPS gir nok energi til at disse tunge bosonene kan skapes. Bosonene ble funnet i 1983 Antiproton Accumulator En teknologisk 'tour de force'!!

Nobelpris til CERNs Carlo Rubbia og Simon van der Meer i 1984 Normal text - click to edit Artikkel: When CERN saw the end of habetthe alp http: //cerncourier. com/cws/article/cern/28849

Electroweak Interaction Fields 1983 Discovery of the W, Z bosons at CERN (1983) (Carlo Rubbia - leader of UA 1 collaboration, and proponent of proton-antiproton collider in Sp. S) (Simon van der Meer - inventor of stochastic beam cooling) Normal text - click to edit

Hvor mange generasjoner av kvarker og leptoner? LEP eksperimentene måler Z 0 bosonets totale vidde Normal text - click to edit Tester også koblingenes universalitet

LEP-2 lette også etter Higgspartikkelen MH > 114, 4 Ge. V Normal text - click to edit

Oppdagelsen av topp-kvarken ved Fermilab USA i 1995 antiproton-proton kollisjoner med energi 1 Te. V m t= 173, 5 Ge. V Normal text - click to edit Mye tyngre enn de andre kvarkene Svært ustabil. . henfaller med en gang til et W boson og en b-kvark Bilde fra D 0 sine websider

Fermilab-eksperimentene så også hint om Higgs-partikkelen i henfall til to b-kvarker (120 Ge. V <m<135 Ge. V) med signifikans på 2, 9 standardavvi Normal text - click to edit