Podstawy fizyki czstek 2014 Krzysztof Fiakowski Krzysztof Woniak

Podstawy fizyki cząstek 2014 Krzysztof Fiałkowski, Krzysztof Wożniak

Plan • Historia i podstawowe pojęcia • Fenomenologia • Metody doświadczalne (LG) • Opis lagranżowski oddziaływań, QED • Teoria GSW, QCD • „Fizyka astrocząstek”; co po SM?

Ćwiczenia • Kinematyka relatywistyczna • Zastosowanie symetrii – izospin • Model kwarków, prawa zachowania • Równanie Diraca, teoria GSW i QCD

Literatura 1. G. Białkowski, R. Sosnowski: Cząstki elementarne (71) (przestarzałe) 2. D. H. Perkins: Wstęp do fizyki wysokich energii (72/82/89/00/04) 3. E. Leader, G. Predazzi: Wstęp do teorii oddziaływań kwarków i leptonów (82/87/90) 4. D. Lincoln: Kwantowa granica: Wielki Zderzacz Hadronów (10) 5. E. Skrzypczak, Z. Szefliński: Wstęp do fizyki jądra atomowego i cząstek elementarnych (95/02) (minimum) Ang. : 1. B. R. Martin, G. Shaw: Particle Physics (97/08) 2. M. Veltman: Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics (03) 2. B. R. Martin: Nuclear and Particle Physics (06) 3. R. Mann: An introduction to particle physics and the standard model (10)

Popularne (przykłady) 1. S. Weinberg: Pierwsze trzy minuty (77/80) 2. T. Hofmokl, M. Święcki: Cząstki elementarne (82) 3. F. Close: Kosmiczna cebula (86/88) 4. S. Weinberg: Sen o teorii ostatecznej (92/94) 5. L. Lederman, D. Teresi: Boska cząstka (93/96/12) 6. A. Strzałkowski: O siłach rządzących światem (96) 7. K. Fiałkowski: Opowieści o neutrinach (98) 8. H. Fritzsch: Elementary Particles, Building Blocks of Matter (05)

Prehistoria I i) atomy starożytnych (Demokryt, Lukrecjusz - tylko pojęcie filozoficzne, bez sprawdzalnych następstw), ii) początki – atomy Daltona: wzór pośredniego odkrywania struktury (prawo stosunków stałych w związkach chemicznych charakterystyczna masa dla atomów każdego pierwiastka); atomy niezmienne, niepodzielne, iii) atomy w termodynamice - Boltzmann, ruchy Browna Einstein, Smoluchowski

Prehistoria cd. Struktura atomu? Becquerel, Curie 2 – radioaktywność (a, b –naładowane ciężkie i lekkie, – neutralne). Identyfikacja: - wysokoenergetyczne fotony; b - elektrony (odkrycie - Thomson), a – jądra helu (znacznie później!) Oczywiste pytanie: czy to składniki atomu? Nobel: ‘ 03 Becquerel, Curie 2, 06 Thomson, 08 (c) Rutherford

Prehistoria cd. : Rutherford – jądro z rozpraszania cząstek a na folii Au: opis OK przy założeniu (b) prawie całej masy i ładunku +Ze w objętości V << Vatomu, Z elektronów o ładunku –e dookoła, a nie (a) równego rozkładunków + i -

Prehistoria cd. Świat e, p, n: Soddy – izotopy; Chadwick – neutron: Cząstki a z Po: a+9 Be→ 12 C+promieniowanie Joliot-Curie 2: to promieniowanie wybija protony z parafiny, „efekt Comptona na protonach? ” Chadwick: nie , bo m≠ 0 z bilansu E/p przy zderzeniach; m≈mp, nazwa: neutron

Prehistoria cd. Uwaga: nazwa „neutron” pierwotnie dla cząstki Pauli’ego (o której potem); Fermi: neutrino i neutron Heisenberg (Iwanienko): jądro z protonów i neutronów Już wcześniej Majorana: interpretacja JC przed Chadwickiem, „neutralny proton”, budowa jądra, ale odmowa publikacji Nobel: 21 Soddy, 32 Heisenberg, 35 Chadwick, 35 (ch) Joliot-Curie 2

“Prawdziwy” początek fizyki cząstek a) ’ 30 hipoteza neutrina n Pauli’ego, pobudki: i) ciągłe widmo energii elektronów z rozpadu b (n→p+e+? ) (w odróżnieniu od liniowych widm a i ), ii) niezgodność spinu jąder przed- i po rozpadzie z prawem zachowania momentu pędu, idea: extra cząstka neutralna o spinie ½, b. małej masie, ocena Pauliego: s jak , masa jak e:

“Prawdziwy” początek fizyki cząstek cd. Pierwsza ocena przekroju czynnego na proces odwrotny do rozpadu , czyli n+n e+p: H. Bethe, R. Peierls, Nature 133 (1934) 532: związek czasu życia T z przekrojem czynnym s=A/T, [A]=cm 2/s, l<ħ/mc, t<ħ/mc 2, więc A<ħ 3/m 3 c 4; dla t=3’ s<10 -44 cm 2. Droga swobodna w materii 1016 km ≈ 1 ly! Dla znanego dziś T(n epn)≈103 s nawet 10 -45 cm 2, wiele rzędów wielkości poniżej sugestii Pauli’ego. „Niewidzialna cząstka”, zakład Pauli’ego, F. Reines, C. L. Cowan ‘ 56. Ocena masy z widma elektronów także niższa, m<<me. Do dziś nie zmierzona!

“Prawdziwy” początek fizyki cząstek cd. b) ’ 32 Anderson „antyelektron” – pozyton e+ w o. promieni kosmicznych z Pb (wcześniej ‘ 27 Skobielcyn, Joliot-Curie 2) c) ’ 37 Anderson – mion m w promieniowaniu kosmicznym (niestabilny, naładowany, masa ≈ 200 me, czyli 0. 1 mp); Wcześniej ’ 32 Kunze, ale bez konkluzji! Sugestia, że to pośredniczący w oddziaływaniach nukleonów przewidziany przez Yukawę mezon (m≈ħ/c. R, R≈1 fm → m≈0. 2 Ge. V/c 2 ≈0. 2 mp), ale m nie oddziałuje „silnie” jak nukleony – „lepton” jak e! Nobel: ’ 36 Anderson

Antrakt: jak odkrywa się nowe cząstki? • Identyfikacja: masa (+ potem inne). • Dla naładowanych długożyjących: ślady jonizacji (ew. utrwalone); z pomiaru strat energii, zakrzywienia w polu magnetycznym E i p, więc masa m 2 c 4=E 2 -p 2 c 2. • Dla neutralnych pomiar e lub p wybijanych z materii. • Długo- vs krótkożyjące: L= v ≈ v (małe v)→E/mc , przykłady c: dla m - 600 m, p+/- - 8 m, p 0 – 0. 2 mm. • Dla krótkożyjących: masa z bilansu E i p produktów rozpadu (uwaga: relacja nieoznaczoności!).

Historia 1945 -1975 Odkrycia setek niestabilnych cząstek oddziałujących silnie – hadronów: pierwszy „mezon Yukawy” , Powell ’ 47, Kolejne „dziwne”, żyjące >10 -10 s, choć o. silnie: K i L (też w promieniowaniu kosmicznym jak m); potem akceleratorowe, także „rezonanse” z ≈10 -23 s rejestracja neutrina: Reines i Cowan (reaktor), Davis (słoneczne), potem 2 rodzaje: ne i nm Schwarz et al. , trzeci lepton Perl i (znacznie później) trzecie n,

Eksperyment Ledermana, Schwarza, Steinbergera i in.

Historia 1945 -1975 cd. ’ 64 model kwarków (Gell-Mann i Zweig): hadrony jako układy kwark-antykwark lub 3 kwarków, bezowocne próby odkrycia ’ 67 -71 teoria GSW o. słabych i QCD silnych: standardowy model oddziaływań leptonów i kwarków

Historia 1945 -1975 cd. ’ 74 odkrycie czwartego kwarku (Richter i Ting) ’ 75 trzeci lepton naładowany (Perl) (później piąty i szósty kwark, trzecie neutrino) Nobel: ’ 49 Yukawa, ’ 50 Powell, ’ 59 Segre, Chamberlain, ’ 69 Gell-Mann, ’ 76 Richter, Ting, ’ 79 Glashow, Salam, Weinberg, ’ 80 Cronin, Fitch, ’ 84 Rubbia, van der Meer, ’ 88 Lederman, Schwarz, Steinberger, ’ 90 Friedman, Kendall, Taylor, ’ 92 Charpak, ’ 95 Perl, Reines, ’ 99 ‘t Hooft, Veltman, ’ 02 Davis, ’ 04 Gross, Politzer, Wilczek, ’ 08 Nambu, Kobayashi, Maskawa

Podstawowe pojęcia Relacja Einsteina: równoważność energii spoczynkowej Es = mc 2 i innych form energii (np. kinetycznej) podstawą opisu procesów rozpadu i produkcji nowych cząstek: A→a 1 +…+an możliwe gdy m. A >m 1+…+mn, A+B→ a 1 +…+an możliwe, gdy kwadrat sumy czteropędów (p. A +p. B)2 = (EA+EB)2/c 2 -(p. A+p. B)2 > (m 1+…+mn)2 c 2 Z bilansu możliwe wyznaczanie mas nowych cząstek!

Podstawowe pojęcia cd. Relacja nieoznaczoności: badanie struktury poniżej Dx możliwe jeśli Dp>ħ/Dx, a zatem p>ħ/Dx. ħ≈0. 2 Ge. V·fm/c, więc do badań Dx<1 fm potrzeba p>0. 2 Ge. V/c; fizyka subjądrowa = fizyka wysokich energii. Wyjątek: mały zasięg oddziaływań może zapewnić badanie mikrostruktury nawet przy niskich energiach (fizyka neutrin!).

Kinematyka, zmienne Dla procesu A+B 1+. . . +n: 3(n+2) składowych pędu, ale 4 relacje z prawa zachowania 4 -pędu, 6 parametrów obrotu i „boostów” do wyboru układu, więc tylko 3 n-4 zmiennych niezależnych; dla „ 2 -ciałowych” tylko 2, np. ECM i q. CM. Wygodne „zmienne niezmiennicze” niezależne od wyboru układu; dla 2 -ciałowych (Mandelstam): s = (p. A+p. B)2 = (p 1+p 2)2 = ECM 2; t = (p. A-p 1)2 = (p. B-p 2)2= -4 p. CM 2 sin 2(q. CM /2) (dla równych mas).

Kinematyka, zmienne cd. Uogólnienie s, t możliwe, ale już dla n=4 mamy 3 n-4=8 zmiennych; przy 10 binach w każdej trzeba >109 przypadków dla ich „rozsądnego” wypełnienia. Wyjście: opis inkluzywny (Feynman) - rozkłady w składowych pędu jednej (dwu) cząstek wysumowane po krotności stanu końcowego i wycałkowane po pędach pozostałych cząstek. Zamiast pi lepsze p. T i „rapidity” y y=ln((E+p. L)/(p. T 2+m 2)1/2), gdzie „T” i „L” względem osi zderzenia. Niezmienniczość, niezależność,

Podstawowe pojęcia cd. Język opisu: relatywistyczna mechanika kwantowa (powinna być kwantowa teoria pola, ale to wymaga wielu nowych pojęć). Podstawa: równanie Diraca (wyprowadzenie potem) – relatywistyczny odpowiednik równania Schrödingera (’ 26) dla spinu ½ (’ 28): Zapis jest jawnie relatywistyczny, choć dowód tego wymaga wiedzy o prawach transformacji Y i form utworzonych z Y i m (na potem).

Równanie Diraca y to macierz kolumnowa, i i kwadratowe. Aby iteracja dała r. Kleina. Gordona wynikłe z musi zachodzić Interpretacja: cztery składowe Y opisują dwa rzuty spinu elektronu z dodatnią energią i dwa rzuty spinu elektronu z ujemną energią. Te ostatnie odpowiadają antycząstkom elektronu (pozytonom) z dodatnią energią. Zatem równanie Diraca (w odróżnieniu od równania Schrödingera) może opisywać procesy produkcji par e+e- i anihilacji tych par (a także dowolnych innych par cząstka-antycząstka).

Symetrie i prawa zachowania Oprócz znanych jak translacje, obroty (zachowanie pędu i momentu pędu) nowe dyskretne np. parzystość gdzie oczywiście P 2=1, więc P=± 1. P działając na stan własny pędu daje To dobra symetria (parzystość zachowana) dla oddziaływań elektromagnetycznych oraz silnych, nie dla słabych.

Symetrie cd. Dla stanów własnych momentu pędu, np. daje r→r, q→ -q, f→ +f, więc Dla wszystkich fermionów , umowa: P=+1 dla e, p etc. , -1 dla antycząstek. Inna symetria: ładunkowa Znów C 2=1, więc C=± 1, C takie samo dla a i ā. Przykład: para + - z momentem pędu L. bo zamiana cząstek jest równoważna ich zamianie w przestrzeni. Podobnie dla pary fermionów, ale tu Ca=-Cā, a ponadto czynnik spinowy (-1)s+1 , więc w sumie

Symetrie oddziaływań • W oddziaływaniach słabych symetria P złamana! • W oddziaływaniach elektromagnetycznych symetrie P, C • Zagadka Q/ : mezony K mogą się rozpadać na 2 lub 3 , Dalitz: te stany mają przeciwną parzystość! Lee i Yang: zachowanie parzystości w o. słabych trzeba sprawdzić! Doświadczenie pani Wu: rozpad jąder 60 Co o spinach uporządkowanych polem magnetycznym jest asymetryczny (więc o. słabe łamią symetrię P!). Nb. w o. silnych obie symetrie też zachowane.

Symetrie oddziaływań 2 • Fitch i Cronin: symetria CP też złamana w rozpadach K! Analiza: skoro dziwność S nie jest zachowana w słabych o. , kombinacja stanów K±¯K odpowiada CP=± 1. Te stany mają określone czasy życia: jeden rozpada się szybko na pp, drugi wolno na ppp. To tłumaczy „zagadkę Q/ ”. Ale stan długożyciowy (CP=-1) rozpada się w 0. 2% na pp! Zatem o. słabe mogą też zmieniać CP! To wyjaśniono dopiero w modelu kwarków z 3 generacjami: stany o określonej masie to kombinacje stanów d, s, b. Macierz mieszania (Kobayashi i Maskawa) jest zespolona.

Oddziaływania i diagramy Feynmana Procesy zapisujemy jako a+b→c+d+…. Spełnienie praw zachowania zachodzi równocześnie w procesach, gdzie cząstki stanu początkowego zamieniamy na antycząstki stanu końcowego, np. proces oznacza, że zachodzi także. Ten pierwszy proces to było rozpraszanie elastyczne, inne – nieelastyczne (bez zmiany liczby cząstek, lub ze zmianą, np. Inne ważne procesy: rozpady a→b+c+…, np. rozpad neutronu (uwaga: w wielu jądrach niemożliwy przez prawo zachowania energii).

Diagramy Feynmana Zapis członów rozwinięcia perturbacyjnego amplitud w elektrodynamice kwantowej (także dla innych oddziaływań). Każdy diagram - określony wzór. Tu tylko jako skrótowy zapis procesu uwzględniający prawa zachowania. Przykłady: Różne typy linii dla fermionów (kwarki, leptony) i bozonów (fotony, gluony itp. ). Tu z reguły tylko diagramy najniższego rzędu możliwe dla danego procesu. Linie wewnętrzne - cząstki wirtualne (nie na „powłoce mas”); inny opis to „chwilowe niezachowanie energii”.

Zachowanie energii a nieoznaczoność: zasięg oddziaływań wymiennych Takie najprostsze diagramy (zwykle z umową, że czas biegnie od lewej do prawej) opisują „procesy dwuciałowe” A+B→C+D. W pierwszym coś jest wymieniane, w drugim coś się tworzy w stanie pośrednim. W QED każdemu diagramowi odpowiada konkretny wzór. W innych teoriach też, ale niekoniecznie suma dobrze określona.

Zachowanie energii a nieoznaczoność: zasięg oddziaływań wymiennych cd. Tu tylko sugestia dominującego wkładu w (nieskończonym) szeregu perturbacyjnym, a nie szczegółowy wzór. Diagramy „wymiany” dominują zwykle przy wysokich energiach, diagramy „tworzenia” tylko dla energii bliskiej energii spoczynkowej obiektu tworzonego w stanie pośrednim. Uwaga: linie niekoniecznie tylko dla cząstek elementarnych i „porządnych” teorii, diagramy dobre i w teoriach „efektywnych”, dla których szereg perturbacyjny nie istnieje, albo nie jest zbieżny!

Zachowanie energii a nieoznaczoność: zasięg oddziaływań wymiennych cd. Dla teorii modelu standardowego: QCD (oddziaływania silne) i GSW (elektrosłabe) diagramy mają ścisły sens, jak w QED, ale o tym potem. Tu głównie prawa zachowania! Przy wymianie X przez A spoczywającą przed zderzeniem mamy Dla A→X+A różnicę energii po- i przed zderzeniem daną przez. Zgodnie z relacją nieoznaczoności takie niezachowanie energii jest dozwolone na czas może zwykle przelecieć dystans oddziaływania opisanego przez wymianę X. . R to zasięg , więc X

Zachowanie energii a nieoznaczoność: zasięg oddziaływań wymiennych cd. Dla QED wymieniany jest foton o mg =0, więc zasięg jest nieskończony. Jak zobaczymy, dla słabych oddz. masy wymienianych W i Z są rzędu 100 mas protonu, więc R jest rzędu 1 am (10 -18 m). Dla silnych oddz. kwarków wymieniany gluon, mg=0, R=∞ jak w QED, ale dla oddz. nukleonów efektywny opis przez wymianę mezonu p o masie rzędu 0. 1 mas protonu, R rzędu 1 fm.

Zasięg cd. Dokładniejszy sens zasięgu dla potencjału: przy masie jednej z cząstek →∞ ruch drugiej jak w zadanym potencjale. W QED r. d’Alemberta, statycznie - Laplace’a, rozwiązanie dla punktowego źródła: Coulomb. Dla wymiany cząstki z m≠ 0 r. Kleina-Gordona , rozwiązanie statyczne , czyli „potencjał Yukawy” . Zasięg ma sens dla eksponencjalnych potencjałów. g 2 to „stała sprzężenia”. Dla QED g 2/ħc≈1/137 Ścisły sens dla innych o. później.

Amplitudy i przekroje czynne Z mechaniki kwantowej: dla rozpraszania na potencjale V(x) amplituda przejścia cząstki o pędzie qi do stanu o pędzie qf dana wzorem (najniższy rząd rachunku zaburzeń!): Gdy potencjał zależy tylko od r (np. Yukawy), całkę wykonujemy w zmiennych sferycznych: .

Amplitudy i przekroje czynne cd. To był typowy wynik nie tylko dla Yukawy: stała sprzężenia razy propagator cząstki wymienianej. W granicy q 2 «m. X 2 c 2 to stała: . Tak jest przy niskich energiach dla o. słabych, gdzie f(q 2)=-GF. Wartość liczbowa tej stałej jest mała w porównaniu z , jeśli m. X rzędu mp, czyli o. są „słabe”; w rzeczywistości g 2 podobne, jak w QCD, ale m. X>>mp. Wyższe rzędy rachunku zaburzeń małe już dla QED, gdzie rozwinięcie w a≈1/137, dla słabych jeszcze mniejsze. Wystarcza więc zwykle użyć najniższego rzędu, w którym proces jest możliwy.

Przekroje czynne Df z prawdopodobieństw, np. częstość reakcji , gdzie J to strumień cząstek, N gęstość tarczy całkowana po grubości, a sr to właśnie przekrój czynny, współczynnik proporcjonalności (o wymiarze powierzchni). Interpretacja geometryczna: taka powierzchnia „tarczki” związanej z każdą cząstką tarczy, że reakcja zachodzi, gdy cząstka wiązki w nią trafi. Całkowite przekroje czynne dla hadronów rzędu dziesiątek mb (10 mb = 1 fm 2), dla neutrin wiele rzędów wielkości mniej, stąd „przenikliwość”.

Przekroje czynne cd. Rozpraszanie na potencjale: różniczkowy przekrój czynny df przez , łatwo wyrazić przez amplitudę. Dla „wiązki” jednej cząstki na objętość V w której jest jedna cząstka tarczy Mechanika kwantowa: amplituda, a r to gęstość stanów: . ; f to. Zatem . Analogiczne wzory dla reakcji dwuciałowych w układzie CM.

Rozpady Opis: szerokość cząstkowa f, całkowita =S f=ħ/ to miara niestabilności, też proporcjonalna do kwadratu amplitudy. Nieoznaczoność → rozkład energii W stanów końcowych (wzór Breita-Wignera): . Jeśli w reakcji tworzy się taki niestabilny stan, to. Mierząc doświadczalnie ten rozkład dla różnych f można wyznaczyć także f dla stanów „niewidocznych” (z bilansu).

Klasyfikacja cząstek i model kwarków Elektron, mion i neutrina (i ich antycząstki) - leptony (od greckiego „lekkie”, choć dziś znany i ciężki „taon”). Spin 1/2. Dzisiejsza definicja: elementarne fermiony nieoddziałujące silnie. Mion i taon niestabilne. Od 1947 liczne nowe (po p, n i mezonie ) cząstki silnie oddziałujące - hadrony: „ciężkie” czyli cięższe od p, n bariony (spin n+1/2), „średnie” - mezony (spin n, potem też cięższe);

Klasyfikacja cząstek i model kwarków cd. Hadrony oprócz p wszystkie niestabilne, rozpady „wolne” przez oddziaływania słabe jak n, +/-, szybsze (10 -16 -10 -18 s) elektromagnetyczne jak 0, b. szybkie (10 -19 -10 -24 s) przez silne („rezonanse”). Wzrost ich liczby - sugestia struktury (jak tablica Mendelejewa? ). Inna sugestia - niepunktowość. 1964 Gell-Mann i Zweig - model kwarków „q”: mezony kwark - antykwark, bariony qqq; oryginalnie 3 rodzaje kwarków u, d, s.

Klasyfikacja cząstek i model kwarków cd. Cechy kwarków: spin 1/2 (jak leptony), ładunki +2/3 e i -1/3 e - nieobserwowalne jako swobodne. Definicja kwarków: elementarne fermiony oddziałujące silnie. Dziś po 6 leptonów i kwarków, każdy kwark w 3 stanach („kolorach”), hadrony „neutralne”. Oddziaływanie ładunków kolorowych inne od elektrycznych - wzrost siły z odległością, „uwięzienie”, nieistnienie swobodnych „kolorów”, więc i kwarków; bozony pośredniczące („gluony” g) też uwięzione.

Klasyfikacja cząstek i model kwarków cd. Rodzaj cząstek Obserwowalne Uwięzione Elementarne Leptony, bozony W, Z, Kwarki, gluony Złożone Hadrony Charakterystyka cząstek obserwowalnych: masa m, spin i parzystość JP, czas życia , ładunek Q, inne liczby kwantowe zachowane w różnych oddziaływaniach (na potem). Dla uwięzionych masa tylko w przybliżeniu, czas życia nieokreślony. Leptony, kwarki: JP=1/2+. Bozony pośredniczące ( , W, Z, g): JP=1 -. Hadrony: J=k+1/2 (bariony), J=k (mezony).

Tabela leptonów czas życia [s] Rodzaj cząstki masa [Me. V/c 2] ładunek [e] Elektron e . 510998910(13) ∞ -1 Neutrino el. ne <10 -5 (10 -8? ) ∞ 0 Mion m 105. 658367(21) 2. 19703(2)10 -6 Neutrino m. nm <0. 17 (10 -8? ) ∞ 0 Taon 1776. 82(16) 2. 906(10)10 -13 -1 Neutrino t. n <18. 2 (10 -8? ) ∞ 0 -1

Tabela kwarków Nazwa kwarku Masa [Ge. V/c 2] Ładunek [e] „Zapach” Górny u . 0017 -. 0033 +2/3 Izospin I 3=1/2 Dolny d . 0041 -. 0058 -1/3 Izospin I 3=-1/2 . 08 -. 13 -1/3 Dziwność S=-1 Powabny c 1. 18 -1. 34 +2/3 Powab C=1 Denny b 4. 13 -4. 37 -1/3 Piękno B=1 Szczytowy t 172. 0(1. 6) +2/3 Prawda T=1 Dziwny s Uwaga: t swobodny, bo czas życia <10 -25 s krótszy niż 1 fm/c

Tabela bozonów pośredniczących Bozon Masa [Ge. V/c 2] Czas życia [s] Ładunek [e] Foton 0 (<10 -27) ∞ 0 W+/- 80. 399(23) 3. 16(6)10 -25 +/-1 Z Gluony g 91. 1876(21) 2. 638(2)10 -25 0 0 (uwięzione) 0 ∞ Uwaga: czasy życia <10 -16 s z relacji nieoznaczoności =ħ/ z szerokości rozpadu: =2. 085(42) Ge. V dla W, 2. 4952(23) Ge. V dla Z.

Tabela niektórych mezonów Mezon Masa [Ge. V/c 2] Spin [ħ] Ładunek [e] Czas życia [s] +/ 0 h w K+/K 0 S K 0 L D+/- . 13957018(35). 1349766(6). 547853(24). 7826(1). 493677(13). 497614(24) 1. 86960(16) 0 0 0 1 0 0 +/-1 0 0 0 +/-1 2. 6033(5) 10 -8 8. 4(5) 10 -17 5. 1(3) 10 -19. 77(1) 10 -22 1. 238(2) 10 -8. 8953(5) 10 -10 5. 116(20) 10 -8 1. 040(7) 10 -12 Ds. +/j/y 1. 96847(33) 0 1 +/-1 0 . 500(7) 10 -12 3. 096916(11) . 71(2) 10 -20

Tabela niektórych barionów Barion P N D(1232) L S+ S 0 SX 0 XWLc Masa [Ge. V/c 2] Spin [ħ] Ładunek [e] Czas życia [s]. 93827201(2). 93956535(2) 1. 231 -1. 233 ½ ½ 3/2 +1 0 +2, +1, 0, -1 1. 115683(6) 1. 18937(7) 1. 19264(2) 1. 19745(3) 1. 3149(2) 1. 32171(7) 1. 67245(29) ½ ½ ½ 3/2 0 +1 0 -1 -1 +1 2. 28646(14) ∞ (>1040) 885. 7(8) 5. 5(1) 10 -24 2. 63(2) 10 -10. 802(3) 10 -10 7. 4(7) 10 -20 1. 48(1) 10 -10 2. 90(9) 10 -10 1. 64(1) 10 -10. 821(11) 10 -10. 200(6) 10 -12

Aktualne tabele cząstek Pełne tablice cząstek publikowane corocznie przez Particle Data Group na zmianę w Physical Review i European Journal of Physics (objętość ok. 700 stron A 4), dostępne w skrócie jako zeszyciki i w Internecie pod http: //pdg. lbl. gov/

Struktura hadronów w modelu kwarków - mezony ; ; ; ;

Struktura hadronów w modelu kwarków – mezony cd. ; ; ; ; ; ; h, , ‘=

Struktura hadronów w modelu kwarków - bariony Bardziej skomplikowane wzory (spin, izospin, statystyka) więc tylko symbolicznie: Bariony z c, s, b słabiej znane, odkrywane sukcesywnie w ostatnich dekadach stany usc, dsc, ssc, ucc nie budzą już takich sensacji, jak kiedyś W ; nikt nie wątpi w ich istnienie.

Krótka systematyka hadronów • Reguły: • Najlżejsze hadrony: z kwarków u, d, s o najniższych spinach; najdłuższe czasy życia. • Wyższe spiny - „wyższe wzbudzenia”; czas życia jak dla silnych o. : 1 fm/c≈10 -23 s • Kolejne „rodziny” z kwarkami c, b, znów najlżejsze stabilne względem silnych o.

Podsumowanie i krótki słownik W fizyce cząstek o. silne (s. ), elektromagnetyczne (e. ) i słabe (sł. ); dwa ostatnie opisywane wspólną teorią; grawitacyjne zaniedbywalne. O. e. i o. s. między kwarkami i gluonami długozasięgowe; o. sł. i o. s między hadronami krótkozasięgowe. Typowe czasy np. rozpadów s. to 10 -24 -10 -20 s; e. 10 -19 -10 -16 s, sł. powyżej 10 -13 s (ale dla W, Z, t o wiele rzędów mniej!).

Podsumowanie cd. Obiekty fizyki cząstek: obserwowalne bezpośrednio - hadrony, leptony i bozony , W i Z; uwięzione - kwarki i gluony. Hadrony: układy kwarków związane polem silnych oddziaływań (gluonowym), dzielimy na bariony (fermiony) i mezony (bozony). Fermionami (o spinie 1/2) są też kwarki i leptony, a bozonami (o spinie 1) , W, Z i gluony.

Podsumowanie cd. Główne źródło informacji o cząstkach i ich oddziaływaniach: procesy rozproszeniowe (po których zwykle następują rozpady cząstek nietrwałych). Opis: prawa zachowania (w tym specyficzne dla fizyki cząstek), kinematyka relatywistyczna, formalizm amplitud rozpraszania i przekrojów czynnych.

Słownik niektórych terminów • barion - hadron o niezerowej liczby barionowej, fermion • bozon - cząstka o całkowitym spinie (w jednostkach ); podlega statystyce Bosego-Einsteina (symetryzacja) • fermion - cząstka o połówkowym spinie, podlega statystyce Fermiego-Diraca (antysymetryzacja, zakaz Pauli’ego) • gluon - kwant pola o. s. , bozon (uwięziony) • hadron - cząstka obserwowalna oddziałująca silnie

Słownik niektórych terminów cd. • kolor - uniwersalnie zachowany ładunek silnych oddziaływań, niezerowy dla kwarków i gluonów, zerowy dla cząstek bezpośrednio obserwowalnych (istniejących jako stany swobodne) • kwark - elementarny fermion oddziałujący silnie (uwięziony) • lepton - elementarny fermion nieoddziałujący silnie • mezon - hadron o zerowej liczbie barionowej, bozon

Słownik niektórych terminów cd. • parzystości - multiplikatywne liczby kwantowe cząstek zachowane w o. s. i o. e. : przestrzenna P, ładunkowa C, kombinowana CP, G. . . • przekrój czynny - znormalizowane przez strumień zderzających się cząstek prawdopodobieństwo zajścia procesu w jednostce czasu i objętości (o wymiarze powierzchni) • rozpraszanie elastyczne - r. z zachowaniem liczby i rodzaju zderzających się cząstek

Słownik niektórych terminów cd. • spin - wewnętrzny moment pędu cząstki • uwięzienie - postulowana cecha s. o. kwarków i gluonów uniemożliwiająca ich istnienie jako cząstek swobodnych • zapachy (flavours) - addytywne liczby kwantowe kwarków i hadronów zachowane w o. s. i o. e. : izospin, dziwność (strangeness S), powab (charm C), piękno (beauty B), prawda (truth T). S. o. nie rozróżniają zapachów! Niekiedy także uniwersalnie zachowane l. k. : ładunek elektryczny, liczba barionowa, liczby leptonowe.