sticov fyzika Ve tictch letech byla pedstava o

Částicová fyzika Ve třicátých letech byla představa o hmotě jednoduchá a přehledná. Proton Hmota Neutron Elektron Zásadní otázka: Co vlastně drží pohromadě atomová jádra? Záření Foton Interakce Gravitace Elektromagnetická interakce ? ? ? Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Pro projekt „Cesta k vědě“ (veda. gymjs. net) vytvořil V. Pospíšil (gdermog@seznam. cz). Modifikace a šíření dokumentu podléhá licenci CC-BY-SA.

Částicová fyzika Musí existovat síla, která drží pohromadě jádra. Má následující vlastnosti: • Silnější než elektromagnetická • Má krátký dosah • Působí stejně na protony i neutrony Dosah síly Protony Neutrony

Částicová fyzika Silná interakce krátký dosah na rozdíl od nekonečného dosahu gravitace a elmg. interakce Dosah síly je jako dosah ruky boxera – po určité vzdálenosti její vliv prudce klesá k nule Síla mezi nukleony je dozajista projevem nějakého pole, obdobně jako elektrostatické přitahování a odpuzování je projevem elektromagnetického pole. Existuje-li ovšem foton jako kvantum elektromagnetického pole, jaká kvanta tvoří pole silné interakce?

Částicová fyzika 1934 – Yukawova teorie mezonu Proton Neutron Elektron Foton Yukawa spočítal, že klidová hmotnost mezonu má být cca 153 Me. V (300 x hmotnost elektronu). To, že Elektromagnetická interakce kvantum má nenulovou klidovou hmotnost souvisí s konečným dosahem silné interakce. Pozn. : název „mezon“ znamená „středně hmotný“

Částicová fyzika π 1937 – objev nových částic v kosmickém záření. Jsou však lehčí, než předpovídal Yukawa. 1946 – ukazuje se, že nové částice jsou ve skutečnosti dvě: μ a π μ

Částicová fyzika Yukawou předpovězená částice Proton Neutron Mezon π (pion) Elektron Foton Muon (μ)

Částicová fyzika 1923 – P. Dirac předpovídá existenci antičástic Základní rovnice vzešlá ze spojení kvantové mechaniky a speciální teorie relativity má vždy dvě řešení – pro částici s kladnou a se zápornou energií. Paul Diracovo moře Kladná energie E=0 Záporná energie Všechny stavy se zápornou energií musí být zaplněny – Pauliho vylučovací princip pak zbrání, aby obyčejné elektrony do těchto stavů napadaly.

Částicová fyzika 1932 – objev pozitronu (antičástice elektronu) B Carl David Anderson (1905 -1991) Objevitelský snímek pozitronu. A Pozitron s vysokou energií vniká do mlžné komory v místě A. Po průchodu 6 mm tlustým olověným plátem ztrácí část své energie. Ze zakřivení trajektorie v magnetickém poli je možné určit náboj i hmotnost částice.

Částicová fyzika Myšlenka Diracova moře byla rychle opuštěna. Místo toho bylo zjištěno, že druhé řešení relativistické kvantové rovnice náleží jiné částici s kladnou energií, ale opačnými kvantovými vlastnostmi. Každá částice má příslušnou antičástici. Proton Antiproton Neutron Antineutron Elektron Pozitron Foton = Antifoton

Částicová fyzika Poválečná představa o elementárních částicích Proton Antiproton Neutron Antineutron Elektron Pozitron π+ π- μ+ μ- Foton Anihilace :

Částicová fyzika – objev neutrin n n p+ p+ p+ n e- Beta rozpad Roku 1930 se při studiu β rozpadu došlo k výrazné nesrovnalosti v energetické bilanci reakcí. β rozpad je dvoučásticový, ze z. z. hybnosti a energie plyne, že každá částice musí mít pevně danou energii.

Částicová fyzika – objev neutrin m 1 m 2 Hybnost před rozpadem p = 0, tudíž i po rozpadu musí být celková hybnost 0.

Částicová fyzika – objev neutrin m 1 m 2 Hybnost před rozpadem p = 0, tudíž i po rozpadu musí být celková hybnost 0.

Částicová fyzika – objev neutrin m 1 m 2 Hybnost před rozpadem p = 0, tudíž i po rozpadu musí být celková hybnost 0. Pozn. : nerelativistické přiblížení

Částicová fyzika – objev neutrin Energie při dvoučásticovém rozpadu se rozdělí v obráceném poměru hmotností. Jelikož ale množství částic je možné tvrdit, že těžké jádro získá téměř nulovou kinetickou energii, zatímco elektron prakticky všechnu. Protože energie rozpadu je pevně dána, měla by pozorovaná energie elektronů být rovněž pevně dána. Šířka vrcholu je dána přesností měřicích přístrojů. E Ee-

množství částic Částicová fyzika – objev neutrin Toto rozdělení ukazuje, že energie elektronu při β rozpadu je náhodná (do maximální hodnoty E), což je v příkrém rozporu s teoretickým výpočtem E Ee- Neplatí z. z. energie! Niels Bohr 1885 - 1962 Existuje lehká neutrální částice, která odnáší zbytek energie. Wolfgang Pauli 1900 - 1958

Částicová fyzika – objev neutrin Pauli má pravdu! Je to neutrino! Enrico Fermi 1901 - 1954 Rozpad neutronu

Částicová fyzika – objev neutrin 1947 : Mám nepřímý důkaz! Zvláštní rozpad pionu. μ Mlžná komora π Cecil Frank Powell (1903 -1969)

Částicová fyzika – objev neutrin Existence neutrina byla definitivně potvrzena r. 1956 pozorováním „inverzního β rozpadu“, reakce Vlastnosti neutrina jsou velmi zajímavé : má velmi nízkou klidovou hmotnost (teprve v r. 1998 byl získán první nepřímý důkaz, že má klidovou hmotnost větší než nula) a téměř nepodléhá interakcím s ostatní hmotou: neutrino 50% šance že proletí Olovo Tisíce světelných let Dnes také víme, že neutrin je více druhů (tři různá neutrina a tři příslušná antineutrina).

Částicová fyzika – podivné částice 1947 : První pozorování rozpadu těžké neutrální částice, která byla do té doby neznámá. Byla pojmenována „Kaon“ a označena jako KO. π+ π-

Částicová fyzika – podivné částice V krátké době se vyrojili další a další částice a reakce

Částicová fyzika – podivné částice S K 0 D - D p - C + op t e j o K 0 - a z + L p + Di !? l g n u ž d D ++ o o W - p K +

Částicová fyzika – podivné částice Řád byl do džungle vnesen r. 1961 – vznikla „cesta osmi“ (Eightfold way) coby první pokus o jakousi periodickou tabulku v částicové fyzice. Geometrické obrazce K 0 j bo Ná S=1 K+ Murray Gell-Mann 1929 - S= 0 Π- S= -1 π+ π0 K- K 0 Podivnost Q=-1 Q=0 Q=1

Částicová fyzika – podivné částice Δ- Δ 0 Δ+ Δ++ S=0 Σ- Σ 0 Σ+ Q=2 S=-1 Murray Gell-Mann 1929 - Ξ- Ξ 0 Q=1 S=-2 S=-3 Zde nebyla žádná známá částice. Gell-Man předpověděl její existenci a spočítal její náboj a hmotnost. Navíc řekl experimentátorům, jakou reakcí ji bude možné vyprodukovat. A v zápětí byla nalezena. Q=0 Q=-1

Částicová fyzika – kvarkový model S=1 s u S=0 d Q=-2/3 d S=0 Q=1/3 u Q=2/3 s S=-1 Q=-1/3

Částicová fyzika – kvarkový model James Joyce

Částicová fyzika – kvarkový model Ostatní obrazce se dají sestavit ze dvou kvarkových trojúhelníků. udd ddd uuu S=0 uus dds Q=2 uds S=-1 dss S=-2 S=-3 uss Q=1 Q=0 sss Q=-1

Částicová fyzika – kvarkový model Kvarkový model měl jeden zásadní nedostatek – i přes intenzivní hledání přes 20 let dlouhé nebyly kvarky nikdy pozorovány jako samostatné částice. Navíc, částice typu (uuu), (ddd) či (sss) zjevně porušovaly Pauliho vylučovací princip. Až do roku 1974 nebyl kvarkový model uznáván a v částicové fyzice přetrvávala větší či menší džungle.

Částicová fyzika – kvarkový model udd ddd uuu S=0 uus dds Q=2 uds S=-1 dss S=-2 S=-3 uss sss Q=1 Q=0 Nedostatky kvarkového modelu : Q=-1 • Nebyly nikdy pozorovány samostatné kvarky • Porušoval Pauliho vylučovací princip

Částicová fyzika – kvarkový model u u d d s s d 1964 - O. Greenberg navrhuje řešení problému s Pauliho vylučovacím principem zavedením nové kvantové vlastnosti kvarků – barvy. Má-li každý kvark v dané částici (uuu, ddd, sss) jinou barvu, nejsou identické a Pauliho vylučovací princip se na něj nevztahuje.

Částicová fyzika – kvarkový model u u d Vlastnost „barevnost“ u složených částic nepozorujeme, neboť tři různé barvy či barva a antibarva dá dohromady „bílou“ – bezbarvou částici. Neutron u d d u Proton d π- u d π+ Pozn. : kvantová vlastnost „barva“ samozřejmě nemá nic společného s optickými jevy.

Částicová fyzika – objev J/Ψ Zavedení barev kvarků vyřešilo problém s Pauliho vylučovacím principem a zároveň naznačilo, proč nelze pozorovat samostatné kvarky – pokud pozorovatelné objekty (částice) musí být bezbarvé, pak je možné spojovat kvarky po dvou (barva-antibarva) nebo po třech (tři barvy nebo tři antibarvy), ne však čtyřech či po jednom. Nutnost „bezbarvosti“ pozorovatelných částic byla ale spekulace a kvarkový model nebyl podložen experimentálně. Mezi roky 1964 – 1974 se o kvarcích v „lepší fyzikální společnosti“ nemluvilo. Objev J/Ψ r. 1974, Nobelova cena r. 1976 Burton Ritcher 1931 - S. C. C. Ting 1936 -

Částicová fyzika – objev J/Ψ • Elektricky neutrální • Extrémně těžká (3. 1 Ge. V) • Extrémní doba života (10 -20 s) Obdobně těžké částice (mezony) mají typickou dobu života 10 -23 s, tato částice žije tedy 1000 x déle, než srovnatelné částice. To je jako objevit kdesi v Andách vesničku, ve které se lidé dožívají běžně 70000 let. To nemůže být nějaká anomálie, ale známka úplně nových, doposud neznámých biologických jevů. Objev J/Ψ tedy znamenal převrat ve fyzice částic. Tento objev je často označován jako Listopadová revoluce.

Částicová fyzika – objev J/Ψ O vlastnostech J/Ψ se v měsících po jeho objevu hodně diskutovalo, nicméně zcela vyhovující vysvětlení podal kvarkový model: J/Ψ je vázaný stav nového kvarku a antikvarku. Tento kvark byl označen jako půvabný (charm). Vázaný stav cc by dle kvarkového měl mít opravdu tak dlouhý život, jak bylo naměřeno.

Částicová fyzika – kvarkový model Existence nového kvarku (c) impikuje existenci mnoha nových částic: ccc c=3 ccd c=2 ccu ccs cud cdd c=1 cds (ddd) Δ- c=0 (dds) Σ(dss) css cuu cus Δ+ (duu) Δ 0 (ddu) Δ++ (uuu) Σ+ (uus) Ξ 0 Ξ(sss) (uss)

Částicová fyzika – standardní model Současné vědomosti o elementárních částicích shrnuje tzv. Standardní model. Elementární se zde rozumí taková částice, u které nelze pomocí současných experimentálních metod pozorovat vnitřní strukturu. Leptony Rodina Elektronová Mionová Tauonová Částice Symbol m (Me. Vc-2) Náboj (e) e- 0. 511 -1 < 0. 000003 0 mion 105. 7 -1 mionové neutrino < 0. 19 0 1777 -1 < 18. 2 0 elektronové neutrino tauonové neutrino Antičástice e+

Částicová fyzika – standardní model Současné vědomosti o elementárních částicích shrnuje tzv. Standardní model. Elementární se zde rozumí taková částice, u které nelze pomocí současných experimentálních metod pozorovat vnitřní strukturu. Kvarky Částice Symbol m (Me. Vc-2) Náboj (e) Antičástice Horní (Up) u 5 + 2/3 u Dolní (Down) d 10 - 1/3 d Půvabný (Charm) c 1500 + 2/3 c Podivný (Strange) s 200 - 1/3 s Pravdivý (Truth) t ≈ 180000 + 2/3 t Krásný (Beauty) b 4300 - 1/3 b

Částicová fyzika – standardní model Jak to všechno drží pohromadě? 4 základní interakce Elektromagnetická Gravitační Silná Elmg. , silnou a slabou interakci lze vysvětlit pomocí výměny určitých druhů částic - mediátorů Slabá

Částicová fyzika – standardní model • Interakce vysvětlena výměnou částic (mediátorů) • Kvantová teorie pole • Feynmanovy diagramy ee-

Částicová fyzika – standardní model • Reaguje na elektrický náboj • Nekonečný dosah • Odpudivá i přitažlivá Elektromagnetická • Nosičem (mediátorem) je foton

Částicová fyzika – standardní model • Reaguje na barvu • Krátký dosah • Přitažlivá, odpudivá pouze na velmi krátké vzdálenosti • Nosičem (mediátorem) je gluon Silná interakce drží pohromadě kvarky v částicích, její zbytková forma pak drží pohromadě atomová jádra.

Částicová fyzika – standardní model Neexistují volné barevné částice – za což může jev uvěznění kvarků. Budeme-li se snažit uvolnit kvark z nitra nukleonu, poroste síla, kterou je v něm vázán. Pokud při „oddalování“ kvarku dodáme dostatečnou energii, vytvoří se pár kvark – antikvark, který se naváže k původním tak, že vzniknou dvě nové bezbarvé částice. Analogii vidíme při natahování pružiny. Pokud pružinu natáhneme moc, praskne a zbudou nám pružiny dvě.

Částicová fyzika – kvarkový model • Reaguje na typ kvarku či leptonu (někdy označováno jako chuť - flavor) • Krátký dosah • Odpudivá, neexistují stabilní systémy vázané slabou interakcí. Je zodpovědná za některé rozpady částic • Nosičy (mediátory) jsou tzv. intermediální bozony Slabá

Částicová fyzika – standardní model Mediátor m (Ge. Vc-2) Náboj (e) foton 0 0 gluon 0 0 W+ 80. 4 +1 W- 80. 4 -1 Zo 91. 187 0 0 0 graviton