W przygotowaniu skorzystano z prezentacji innych autorw takich

W przygotowaniu skorzystano z prezentacji innych autorów takich jak: Agnieszka Obłąkowska-Mucha, Katedra Oddziaływań i Detekcji Cząstek Henryk Pałka, IFJ PAN Marek Kowalski Krzysztof Fiałkowski, IFUJ CZĄSTKI ELEMENTARNE JAK TO ZROZUMIEĆ CZYLI MIĘDZY INNYMI O GOTOWANIU MAKARONU

Z czego jest zbudowany świat? Tales z Miletu (VII/VI p. n. e. ) - "Wszystko jest z wody, z wody powstało i z wody się składa" Anaksymenes z Miletu (VI p. n. e. ) – prapierwiastkiem świata jest powietrze Heraklit z Efezu (VI/V p. n. e. ) – pierwotnym tworzywem jest ogień Empedokles z Akragas (V p. n. e. ) – świat zbudowany jest z czterech żywiołów pierwotnych tzw. pierwiastków: • wody • ognia • powietrza • ziemi Anaksagoras z Kladzomen (VI/V p. n. e. ) – świat jest zbudowany z wielkiej liczby małych cząstek Demokryt z Abdery (V/IV p. n. e. ) – świat zbudowany jest z jednolitych, niepodzielnych cząstek – atomów. Pogląd ten zwalczał m. in. Platon. Arystoteles ze Stagiry (IV p. n. e. ) – pierwiastki są obdarzone charakterystycznymi cechami

Naukę Arystotelesa przejęli Rzymianie, a później Arabowie. W średniowieczu i w czasach Renesansu nauka Arystotelesa stała się podstawą nauki alchemików Arabski alchemik Dzabir Ibn Hajjan (~720 - ~813) – pierwiastkami są siarka i rtęć. Metale można otrzymać przez zmieszanie tych dwóch. Paracelsus (1493 – 1541) – teoria trzech pierwiastków – rtęć, siarka, sól. Robert Boyle (1627 – 1691) – odrodzenie teorii atomistycznej – cząsteczki składają się z atomów, będących najmniejszymi porcjami pierwiastków. Atomistyczną teorię wyznawał także Izaak Newton. Nowoczesną teorię atomistyczną sformułował w XIX w. John Dalton (1766 – 1844). Realność istnienia atomów potwierdziły prace Alberta Einsteina (1879 – 1955) i Mariana Smoluchowskiego (1872 – 1917)

BUDOWA ATOMU Sir Joseph J. Thomson (1856 – 1940) Nagroda Nobla 1906 Thomson badał przepływ prądu elektrycznego w gazach poddanych promieniowaniu X. Wniosek – w atomie istnieją cząstki , które wyzwalane przez promieniowanie X, są odpowiedzialne za przepływ prądu w gazach. Cząstki te nazwano elektronami. Thomson stwierdził, że masa elektronu jest 1000 razy mniejsza niż masa atomu wodoru. Naprawdę ten stosunek wynosi ~2000. Atom według Thomsona miał być kulką materii o ładunku dodatnim, w której zanurzone są elektrony.

Odkrycie jądra atomowego Sir Ernest Rutherford (1871 – 1937) Nagroda Nobla 1908 W roku 1911 Rutherford wykonał słynne doświadczenie z rozpraszaniem cząstek α na foli ze złota Większość cząstek rozpraszała się pod małymi kątami, ale 1 na 8000 rozpraszała się pod kątem bliskim 180 stopni. Rutherford: „To było tak, jakby piętnastocalowy pocisk, wystrzelony w kawałek bibułki, odbił się od niej i trafił w strzelającego”.

Dlaczego wynik eksperymentu Rutherforda był tak niezwykły? Według modelu Thomsona wszystkie cząstki powinny przejść przez atom jak przez masło. Wynik eksperymentu Rutherforda wskazywał na istnienie w atomie dodatnio naładowanego jądra, skupiającego w sobie prawie cała masę Planetarny model atomu wg. Rutherforda

ATOM WODORU BOHRA Niels Bohr (1885 – 1962) Nagroda Nobla 1922 Bohr oparł się na pracach Maxa Plancka, który wykazał, że promieniowanie jest emitowane w porcjach (kwantach) Postulaty Bohra: • elektron krąży po swojej orbicie bez emisji promieniowania i może zajmować tylko ściśle określone orbity • emisja promieniowania następuje przy przejściu z orbity wyższej na niższą , przejście z orbity niższej na wyższą (wzbudzenie) wymaga dostarczenia określonej porcji energii • moment pędu jest skwantowany

Hideki Yukawa (1907 – 1981) Nagroda Nobla 1949 Tajemnicza cząstka Yukawy… Dla wyjaśnienia sił pomiędzy nukleonami konieczna jest dodatkowa cząstka o masie ~200 me (1935). Yukawa nazwał tą cząstkę „mezonem”. W 1936 roku Anderson odkrywa w promieniowaniu kosmicznym cząstkę o masie równej 207 masom elektronu. Czy to postulowany przez Yukawę mezon? ? ? NIE!!! Nowa cząstka bardzo słabo oddziaływała z materią. Nowa cząstka (dzisiaj nazywamy ją mionem) nie pasowała do niczego. Isidor Raabi – „kto to zamawiał ? ”

Odkrycie mezonu π μ Cecil F. Powell (1903 – 1969) Nagroda Nobla 1950 W 1946 roku Powell, Lattice i Ochciallini zaobserwowali rozpad nowej cząstki, silnie oddziaływującej z materią. Nowa cząstka miała masę ~270 me. To była poszukiwana cząstka Yukawy, którą nazwano mezonem π (pionem) Co widać na tym obrazku? Mezon π, poruszający się z lewej do prawej rozpada się w punkcie A na mion (μ) i jeszcze „coś” π A

Odkrycie cząstek dziwnych George Rochester (1908 – 2001) Razem z Cliffordem Butlerem zaobserwowali w promieniowaniu kosmicznym nową, nietrwałą, neutralną cząstkę, którą nazwali „V”, od topologii rozpadu. Wkrótce potem stwierdzono, że takie cząstki żyją stosunkowo długo i są produkowane wyłącznie w parach. Aby wytłumaczyć tą własność, nowej cząstce przypisano cechę, nazwaną „dziwnością”.

Komora pęcherzykowa Aparat stereoskopowy Ciekły wodór Lampa błyskowa Układ rozprężający

Jest to fotografia komory pęcherzykowej, w której antyproton wlatujący z dolnej części zdjęcia do góry, zderza się z protonem (w spoczynku) i występuje anihilacja. W procesie tym powstało osiem pionów. Jeden z nich rozpadł się na mion μ+ i ν. Tory dodatnich i ujemnych pionów odchylają się w polu magnetycznym w przeciwnych kierunkach, a obojętne ν nie pozostawia śladu.

CZĄSTKA NAŁADOWANA W POLU MAGNETYCZNYM

Fermion ( niezbyt towarzyskie cząstki) cząstki o połówkowym spinie, które nie chcą zajmować tej samej pozycji energetycznej >>>> zakaz Pauliego Bozon (cząstki towarzyskie) cząstki o całkowitym spinie, obecność innych cząstek im nie przeszkadza

Oddziaływanie pomiędzy cząstkami Grawitacyjne ----- tak słabe, że są do pominięcia Elektromagnetyczne ----- dotyczy cząstek obdarzonych ładunkiem Silne ----- utrzymują w całości jądro atomowe pomimo elektromagnetycznych sił odpychających od siebie protony Słabe ----- dotyczą wszystkich cząstek Hadrony ---- oddziałują silnie: protony, neutrony, piony Leptony ---- nie oddziałują silnie: elektrony, neutrina Hadron który jest fermionem to barion: proton Hadron który jest bozonem to mezon: pion

Foton to też cząstka elementarna! Każda cząstka ma swoją antycząstkę Dwa fermiony jakimi są elektrony zamieniają się w dwa bozony jakimi są fotony Ładunek zachowany Liczba leptonów zachowana bo foton to też lepton Spin też zachowany

Dziwność (oddziaływania silne) Niektóre cząstki zawsze powstają parami jak np. Kaon i Sigma To zachowanie tak zdziwiło naukowców, że nazwali je dziwnymi jeszcze przed ich identyfikacją. Wkrótce sformułowano prawo zachowania dziwności przypisując dla Kaonu dziwność S=+1 a dla Sigmy S=-1 Często zachodząca reakcja a ta pomimo, że nie łamie innych zasad zachowania nie zachodzi nigdy

Ścieżki osmiokątne i idea kwarków

Fizycy opracowali teorię zwaną Modelem standardowym. Wyjaśnia ona, czym jest świat i co utrzymuje go w całości. Jest to prosta i spójna teoria, która opisuje setki znanych nam cząstek oraz oddziaływania między nimi jedynie za pomocą: 6 kwarków. 6 leptonów. Najbardziej znanym leptonem jest elektron. cząstki przenoszące oddziaływanie, jak np. foton. Wszystkie znane cząstki materii składają się z kwarków i leptonów. Oddziałują one poprzez wymianę cząstek przenoszących oddziaływania.

Nazwa Symbol Izospin I Generacja Zapach Ładunek e Masa prądowa konstytuent m (Me. V/c²) na M (Ge. V/c²) Antycząstka górny u 1 +½ U = +1 +⅔ 1, 5– 4, 0 0, 31 antygórny dolny d 1 −½ D = − 1 −⅓ 4– 8 0, 31 antydolny dziwny s 2 0 S = − 1 −⅓ 80– 130 0, 50 antydziwny powabny c 2 0 C = +1 +⅔ 1150– 1350 1, 60 antypowabny niski, piękny b 3 0 B* = − 1 −⅓ 4100– 4400 4, 60 antyniski wysoki, t prawdziwy 3 0 T = +1 +⅔ 170900± 1800 180 antywysoki

Model standardowy jest dobrą teorią. Eksperymenty potwierdziły jej przewidywanie wprost z niewiarygodną dokładnością i wszystkie cząstki przewidziane przez tę teorię zostały odkryte! Nie wyjaśnia ona jednak wszystkiego. Przykładowo grawitacja nie jest opisana przez Model standardowy.

ODDZIAŁYWANIA Wszystkie znane cząstki oddziałują poprzez cztery podstawowe oddziaływania: ELEKTROMAGNETYCZNE, SILNE, SŁABE, GRAWITACYJNE Siła tych oddziaływań dla dwóch protonów blisko siebie (10 -15 m): Silne 1 Elektromagnetyczne 10 -2 Słabe 10 -7 Grawitacyjne 10 -39 Przy bardzo małych odległościach (wysokich energiach) - UNIFIKACJA

LHC – co to takiego?

CERN i LHC Jezioro Genewskie Lotnisko w Genewie tunel LHC (długość 27 km, ok. 100 m pod powierzchnią ziemi) CERN/Meyrin

LHC w schematycznym przekroju

My chcemy „cofnąć” bieg czasu. . . Przyroda Plazma K-G Nukleony Jądra Atomy Dzisiaj Wielki Wybuch 10 – 6 s 10 – 4 s 3 min Eksperyment 1. 5 *109 lat

AKCELERATOR LINIOWY

Cyklotron Na początku lat trzydziestych na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley dwaj naukowcy Ernest Orlando Lawrence (1901 -1958) i M. S Livingston skonstruowali nowy typ przyrządu służącego do przyspieszania jonów

NA POCZĄTKU LAT CZTERDZIESTYCH D. W. KERST Z UNIVERSITY OF ILLINOIS SKONSTRUOWAŁ NOWE URZĄDZENIE ROZPĘDZAJĄCE JONY - BETATRON.

TO CO NAJLEPSZE SYNCHROTRON

ZIELONA LINIA 16 METROWY AKCELERATOR LINIOWY- ENERGIA E=200 MEV PURPUROWA LINIA O 300 METROWEJ ŚREDNICY SYNCHROTRON- ENERGIA 3 GEV

ŚREDNICA 9 KM – ENERGIA 7 TEV DWIE WIĄZKI PRZECIWBIEŻNE

Niektóre dane LHC Długość obwodu tunelu akceleratora Średnia głebokość tunelu akceleratora Energia protonów w wiązce Energia jonów w wiązce Prędkość protonów w wiązce Liczba obiegów protonu w akceleratorze na sekundę Liczba zderzeń cząstek Liczba rejestrowanych zderzeń Czas życia wiązki Liczba elektromagnesów akceleratora Indukcja pola magnetycznego w elektromagnesach dipolowych Temperatura obwodów nadprzewodzących w tych elektromagnesach Ciśnienie w rurze wiązki 26 659 m 100 m 7 Te. V 2, 76 Te. V/nukleon 0, 99991 c 2808 paczek x 1011 11 245 600 mln/s 100/s 10 h 9 593 Koszt akceleratora 4, 98 mld CHF Koszt detektorów i gridu (w CERN-ie) 1, 53 mld CHF Decyzja o budowie 1994, rozpoczęcie budowy 1998, uruchomienie 2008 8, 3 T 1, 9 K 10 -13 atm

LHC, Large Hadron Collider - Wielki Zderzacz Hadronów

CERN/LHC - Large Hardon Collider (Wielki Zderzacz Hadronów) Głębokość tunelu akc. H=100 m LHC, to prawdziwa księga rekordów Guinnessa W tych rurach krążą protony; ich prędkość: v=0. 99991 c Energia: Ep=7 Te. V Długość tunelu akceleratora L=27 km Próżnia P=10 -10 Tr c – prędkość światła Temperatura T=1. 9 K= -271. 2 o. C Magnesy nadprzewodzące: Prąd elektryczny: I=11 700 A Pole magnetyczne: B=8. 7 T

Energia progowa ♦ Do produkcji stanów wielocząstkowych również potrzeba pewnej energii progowej: np produkcja antyprotonów: wymaga energii w CMS: a przy zderzaniu protonów z tarczą: jest to tzw. energia progowa na produkcję antyprotonów. ♦ Przy obliczaniu energii progowej należy uwzględnić prawa zachowania, np:

Dlaczego właśnie w CERN? „Jeśli chcesz znaleźć się w miejscu w którym nigdy nie byłeś, musisz iść drogą, którą nigdy nie szedłeś. ” Prof. B. Galwas