Wszech

Wszech

ś

ś

wiat cz

wiat cz

ą

ą

stek

stek

elementarnych

elementarnych

WYK

WYK

Ł

Ł

AD 3

AD 3

4.III.2009

4.III.2009

Cz

Cz

ą

ą

stki elementarne

stki elementarne

Odkrycia

Odkrycia

Prawa zachowania

Prawa zachowania

Cz

Cz

ą

ą

stki i antycz

stki i antycz

ą

ą

stki

stki

Fizyka cz

Fizyka cz

ą

ą

stek elementarnych

stek elementarnych

„

„

Wiek XX

Wiek XX

–

–

niezwyk

niezwyk

ł

ł

y rozw

y rozw

ó

ó

j fizyki, pojawi

j fizyki, pojawi

ł

ł

y si

y si

ę

ę

fundamentalne idee:

fundamentalne idee:

-

-

pierwsza po

pierwsza po

ł

ł

owa to

owa to

teoria wzgl

teoria wzgl

ę

ę

dno

dno

ś

ś

ci,

ci,

teoria grawitacji i teoria kwant

teoria grawitacji i teoria kwant

ó

ó

w

w

-

-

druga po

druga po

ł

ł

owa

owa

–

–

fizyka cz

fizyka cz

ą

ą

stek elementarnych

stek elementarnych

(teoria cz

(teoria cz

ą

ą

stek elementarnych lata 70

stek elementarnych lata 70

-

-

e XX w.)

e XX w.)

„

„

Teoria wzgl

Teoria wzgl

ę

ę

dno

dno

ś

ś

ci i prawa mechaniki

ci i prawa mechaniki

kwantowej rz

kwantowej rz

ą

ą

dz

dz

ą

ą

w

w

ś

ś

wiecie cz

wiecie cz

ą

ą

stek

stek

elementarnych.

elementarnych.

Obowi

Obowi

ą

ą

zuj

zuj

ą

ą

znane z makro

znane z makro

ś

ś

wiata prawa

wiata prawa

zachowania energii i p

zachowania energii i p

ę

ę

du,

du,

ł

ł

adunku elektr.

adunku elektr.

Teoria

Teoria

kwant

kwant

ó

ó

w i teoria wzgl

w i teoria wzgl

ę

ę

dno

dno

ś

ś

ci

ci

W badaniu struktury materii

W badaniu struktury materii stosowane są

coraz większe energie, gdyż

„

„

Zasada nieoznaczono

Zasada nieoznaczono

ś

ś

ci Heisenberga

ci Heisenberga

→

→

badanie coraz mniejszych odleg

badanie coraz mniejszych odleg

ł

ł

o

o

ś

ś

ci

ci

„

„

Relacja E = mc

Relacja E = mc

2

2

→

→

produkcja nowych

produkcja nowych

bardziej masywnych cz

bardziej masywnych cz

ą

ą

stek

stek

Stosujemy elektrowolt eV jako jednostk

Stosujemy elektrowolt eV jako jednostk

ę

ę

energii i masy (c =1)

energii i masy (c =1)

‏

‏

Zoo cz

Zoo cz

ą

ą

stek elementarnych

stek elementarnych

Definicja: cz

Definicja: cz

ą

ą

stka elementarna

stka elementarna

-

-

'obserwowany'

'obserwowany'

obiekt prostszy ni

obiekt prostszy ni

ż

ż

j

j

ą

ą

dro atomowe (wyj

dro atomowe (wyj

ą

ą

tek

tek

j

j

ą

ą

dro atom. H = proton)

dro atom. H = proton)

Cz

Cz

ą

ą

stki elementarne

stki elementarne

–

–

AD 2009

AD 2009

du

du

ż

ż

o (1000) i r

o (1000) i r

ó

ó

ż

ż

norodne (Zoo):

norodne (Zoo):

R

R

ó

ó

ż

ż

ne masy, czasy

ne masy, czasy

ż

ż

ycia,

ycia,

r

r

ó

ó

ż

ż

ne

ne

ł

ł

adunki elektryczne,

adunki elektryczne,

grupowanie si

grupowanie si

ę

ę

w uk

w uk

ł

ł

ady (multiplety)

ady (multiplety)

r

r

ó

ó

ż

ż

ne sposoby oddzia

ne sposoby oddzia

ł

ł

ywa

ywa

ń

ń

Najprostsze cz

Najprostsze cz

ą

ą

stki el.

stki el.

→

→

cz

cz

ą

ą

stki fundamentalne

stki fundamentalne

Cz

Cz

ą

ą

stki elementarne mog

stki elementarne mog

ą

ą

by

by

ć

ć

z

z

ł

ł

o

o

ż

ż

one (proton)

one (proton)

Odkrycia cz

Odkrycia cz

ą

ą

stek elementarnych

stek elementarnych

-

-

'potop' w latach 50

'potop' w latach 50

-

-

60 XX w

60 XX w

Foton γ

Neutrino ν

Kwant

Kwant

-

-

ur. w 1900, 14 grudnia

ur. w 1900, 14 grudnia

Max Planck: radykalne wyja

Max Planck: radykalne wyja

ś

ś

nienie

nienie

promieniowania cieplnego rozgrzanych cia

promieniowania cieplnego rozgrzanych cia

ł

ł

.

.

Z do

Z do

ś

ś

wiadczenia

wiadczenia

–

–

> ca

> ca

ł

ł

kowita energia

kowita energia

promieniowania zale

promieniowania zale

ż

ż

y tylko od temperatury.

y tylko od temperatury.

Ale opis dla idealnego

Ale opis dla idealnego

ź

ź

r

r

ó

ó

d

d

ł

ł

a promieniowania

a promieniowania

('cia

('cia

ł

ł

o doskonale czarne') nonsensowny,

o doskonale czarne') nonsensowny,

powinno emitowa

powinno emitowa

ć

ć

niesko

niesko

ń

ń

czon

czon

ą

ą

energi

energi

ę

ę

(

(

„

„

katastrofa w ultrafiolecie

katastrofa w ultrafiolecie

”

”

).

).

Planck: Dobry opis gdy promieniowanie paczek

Planck: Dobry opis gdy promieniowanie paczek

(kwant

(kwant

ó

ó

w) energii E = h

w) energii E = h

ν

ν

.

.

...Ale to

...Ale to

„

„

tragedia

tragedia

”

”

Odkrycia cz

Odkrycia cz

ą

ą

stek elementarnych

stek elementarnych

'potop' w latach 50

'potop' w latach 50

-

-

60 XX w

60 XX w

Foton γ

Neutrino ν

Masy

Masy

(E=mc

(E=mc

2

2

, jednostka

, jednostka

masy = eV/ c

masy = eV/ c

2

2

,

,

cz

cz

ę

ę

sto pomijamy sta

sto pomijamy sta

ł

ł

y czynnik

y czynnik

c

c

2

2

)

)

Neutrino

Neutrino

–

–

0 ?

0 ?

Elektron

Elektron

–

–

0.5 MeV

0.5 MeV

Pion

Pion

–

–

140 MeV

140 MeV

Proton, neutron

Proton, neutron

-

-

1 GeV

1 GeV

Istniej

Istniej

ą

ą

cz

cz

ą

ą

stki masywniejsze ni

stki masywniejsze ni

ż

ż

proton

proton

nawet 200 razy

nawet 200 razy

Pochodzenie mas cz

Pochodzenie mas cz

ą

ą

stek

stek

–

–

nadal zagadk

nadal zagadk

ą

ą

Czy masa cz

Czy masa cz

ą

ą

stki = suma mas sk

stki = suma mas sk

ł

ł

adnik

adnik

ó

ó

w?

w?

bywa ale np nie dla p n

bywa, ale np. nie dla p, n

Czasy

Czasy

ż

ż

ycia cz

ycia cz

ą

ą

stek elementarnych

stek elementarnych

„

„

Czas

Czas

ż

ż

ycia uk

ycia uk

ł

ł

adu

adu

–

–

czas po kt

czas po kt

ó

ó

rym po

rym po

ł

ł

owa

owa

uk

uk

ł

ł

ad

ad

ó

ó

w danego typu przestaje istnie

w danego typu przestaje istnie

ć

ć

„

„

Czasy

Czasy

ż

ż

ycia cz

ycia cz

ą

ą

stek elementarnych

stek elementarnych

τ

τ

cz

cz

ą

ą

stki trwa

stki trwa

ł

ł

e

e

–

–

np. elektron i proton

np. elektron i proton

(> 4.6 10

(> 4.6 10

26

26

lat i > 10

lat i > 10

30

30

lat)

lat)

cz

cz

ą

ą

stki rozpadajace si

stki rozpadajace si

ę

ę

b. szybko 10

b. szybko 10

-

-

24

24

s

s

cz

cz

ą

ą

stki rozpadaj

stki rozpadaj

ą

ą

ce si

ce si

ę

ę

powoli:

powoli:

mion 2 10

mion 2 10

-

-

6

6

s, piony na

s, piony na

ł

ł

adowane 2.6 10

adowane 2.6 10

-

-

8

8

s

s

„

„

Prawdopodobie

Prawdopodobie

ń

ń

stwo rozpadu ma

stwo rozpadu ma

ł

ł

e, gdy

e, gdy

czas

czas

ż

ż

ycia d

ycia d

ł

ł

ugi i odwrotnie

ugi i odwrotnie

Rozpad cz

Rozpad cz

ą

ą

stki elementarnej

stki elementarnej

Rozpad cz

Rozpad cz

ą

ą

stki to swobodne przej

stki to swobodne przej

ś

ś

cie do

cie do

innego stanu (to nie jest rozpad na sk

innego stanu (to nie jest rozpad na sk

ł

ł

adniki

adniki

cz

cz

ą

ą

stki z

stki z

ł

ł

o

o

ż

ż

onej, ale przeorganizowanie sk

onej, ale przeorganizowanie sk

ł

ł

adu).

adu).

Np. rozpad

Np. rozpad

β

β

:

:

neutron (

neutron (

ddu

ddu

)

)

→

→

p(

p(

uud

uud

) e i 'co

) e i 'co

ś

ś

'

'

(czas

(czas

ż

ż

ycia neutronu 886 s = 14,8 min)

ycia neutronu 886 s = 14,8 min)

1914 J. Chadwick: energia elektronu zmienna

1914 J. Chadwick: energia elektronu zmienna

wi

wi

ę

ę

c to nie mo

c to nie mo

ż

ż

e by

e by

ć

ć

rozpad na dwie cz

rozpad na dwie cz

ą

ą

stki

stki

Bohr

Bohr

–

–

energia si

energia si

ę

ę

nie zachowuje

nie zachowuje

Pauli 1931

Pauli 1931

-

-

'co

'co

ś

ś

' bez masy i

' bez masy i

ł

ł

adunku (..bez wiary)

adunku (..bez wiary)

Fermi 1932

Fermi 1932

-

-

nazwa neutrino(neutralne male

nazwa neutrino(neutralne male

ń

ń

stwo)

stwo)

Produkcja cz

Produkcja cz

ą

ą

stek elementarnych

stek elementarnych

W zderzeniach cz

W zderzeniach cz

ą

ą

stek danego typu

stek danego typu

produkcja dw

produkcja dw

ó

ó

ch, trzech,..N cz

ch, trzech,..N cz

ą

ą

stek

stek

-

-

zawsze w zgodzie z zasad

zawsze w zgodzie z zasad

ą

ą

zachowania energii i p

zachowania energii i p

ę

ę

du

du

Energia zderzenia mo

Energia zderzenia mo

ż

ż

e si

e si

ę

ę

zamieni

zamieni

ć

ć

ca

ca

ł

ł

kowicie na energi

kowicie na energi

ę

ę

spoczynkow

spoczynkow

ą

ą

jednej nowej cz

jednej nowej cz

ą

ą

stki, zgodnie z E=mc

stki, zgodnie z E=mc

2

2

-

-

produkcja

produkcja

rezonansowa

rezonansowa

-

-

tak odkryto wiele cz

tak odkryto wiele cz

ą

ą

stek

stek

Liczba przypadk

Liczba przypadk

ó

ó

w w zderzeniach e+e

w w zderzeniach e+e

-

-

Energia zderzenia (GeV) => masa cz

Energia zderzenia (GeV) => masa cz

ą

ą

stki

stki

Zderzacz kosmiczny:w promieniowaniu kosmicznym

odkryto wiele nowych zjawisk w tym cząstki dziwne

Close

1955 CERN accelerators replicate cosmic rays on Earth…

.

.record the images and reveal the real heart of matter….

he beginnings of modern high energy particle physics [Close]

Dziwne też to, że produkują się tylko parami

W

W

ł

ł

asno

asno

ś

ś

ci cz

ci cz

ą

ą

stek

stek

elementarnych

elementarnych

-

-

liczby kwantowe

liczby kwantowe

Cz

Cz

ą

ą

stki dziwne maj

stki dziwne maj

ą

ą

cech

cech

ę

ę

S (dziwno

S (dziwno

ść

ść

r

r

ó

ó

ż

ż

n

n

ą

ą

od zera); warto

od zera); warto

ś

ś

ci S: 1, 2 , 3.. (i ujemne)

ci S: 1, 2 , 3.. (i ujemne)

Nukleony= proton i neutron S=0

Nukleony= proton i neutron S=0

Piony S=0

Piony S=0

Inne cechy (liczby kwantowe)

Inne cechy (liczby kwantowe)

–

–

powab, pi

powab, pi

ę

ę

kno itp.

kno itp.

wszystkim cz

wszystkim cz

ą

ą

stkom przypisujemy odpowiednie

stkom przypisujemy odpowiednie

liczby kwantowe.

liczby kwantowe.

Te liczby kwantowe dodaj

Te liczby kwantowe dodaj

ą

ą

si

si

ę

ę

i zachowuj

i zachowuj

ą

ą

(jak

(jak

ł

ł

adunek elektryczny) w

adunek elektryczny) w

niekt

niekt

ó

ó

rych

rych

procesach

procesach

No

No

ś

ś

nikami tych liczb kwantowych

nikami tych liczb kwantowych

s

s

ą

ą

kwarki

kwarki

Nukleony i zwyk

Nukleony i zwyk

ł

ł

e kwarki (oraz klej)

e kwarki (oraz klej)

Proton i neutron = 3 kwarki

Proton i neutron = 3 kwarki

(r

(r

ó

ó

ż

ż

ne typy kwark

ne typy kwark

ó

ó

w i ich nazwy

w i ich nazwy

…

…

)

)

kwarki

kwarki

u (up)

u (up)

i

i

d (down)

d (down)

kwarki wyst

kwarki wyst

ę

ę

puj

puj

ą

ą

w 3 stanach (

w 3 stanach (

barwach,kolorach

barwach,kolorach

)

)

-

-

nowa liczba kwantowa

nowa liczba kwantowa

czerwone, zielone i niebieskie

czerwone, zielone i niebieskie

–

–

to tylko nazwy

to tylko nazwy

Kwarki nie maj

Kwarki nie maj

ą

ą

struktury! S

struktury! S

ą

ą

fundamentalne..

fundamentalne..

Ale nie wyst

Ale nie wyst

ę

ę

puj

puj

ą

ą

jako cz

jako cz

ą

ą

stki swobodne

stki swobodne

–

–

p i n tak

p i n tak

W nukleonach s

W nukleonach s

ą

ą

gluony

gluony

–

–

sklejaj

sklejaj

ą

ą

ce ca

ce ca

ł

ł

o

o

ść

ść

(w atomie

(w atomie

-

-

>si

>si

ł

ł

y e

y e

-

-

m, fotony)

m, fotony)

u

u

u

d

d

d

d

u

u

proton

neutron

d

d

u

Antycz

Antycz

ą

ą

stki (antymateria)

stki (antymateria)

„

„

Antycz

Antycz

ą

ą

stki to te

stki to te

ż

ż

cz

cz

ą

ą

stki, cho

stki, cho

ć

ć

mog

mog

ą

ą

si

si

ę

ę

r

r

ó

ó

ż

ż

ni

ni

ć

ć

od

od

swoich

swoich

„

„

partner

partner

ó

ó

w

w

”

”

pewnymi w

pewnymi w

ł

ł

asno

asno

ś

ś

ciami.

ciami.

Cz

Cz

ą

ą

stki i antycz

stki i antycz

ą

ą

stki maj

stki maj

ą

ą

t

t

ę

ę

sam

sam

ą

ą

mas

mas

ę

ę

i czas

i czas

ż

ż

ycia

ycia

„

„

Np. elektron i pozyton

Np. elektron i pozyton

–

–

to para cz

to para cz

ą

ą

stka

stka

-

-

antycz

antycz

ą

ą

stka

stka

(ale kt

(ale kt

ó

ó

ra jest kt

ra jest kt

ó

ó

r

r

ą

ą

to sprawa umowy), r

to sprawa umowy), r

ó

ó

ż

ż

ni

ni

ą

ą

si

si

ę

ę

znakiem

znakiem

ł

ł

adunku elektrycznego (pozyton ma dodatni

adunku elektrycznego (pozyton ma dodatni

ł

ł

adunek).

adunek).

Elektron odkryto w 1897 a pozyton w 1932

Elektron odkryto w 1897 a pozyton w 1932

„

„

Przewidywanie teoretyczne istnienia antycz

Przewidywanie teoretyczne istnienia antycz

ą

ą

stki

stki

–

–

Dirac

Dirac

’

’

1928 z analizy r

1928 z analizy r

ó

ó

wna

wna

ń

ń

„

„

Istnienie antycz

Istnienie antycz

ą

ą

stek wynika z prawa przyrody;

stek wynika z prawa przyrody;

cz

cz

ą

ą

stka mo

stka mo

ż

ż

e by

e by

ć

ć

swoj

swoj

ą

ą

antycz

antycz

ą

ą

stk

stk

ą

ą

–

–

np. foton

np. foton

(

(

ł

ł

adunek elektr. zero);

adunek elektr. zero);

„

„

Cz

Cz

ą

ą

stka i antycz

stka i antycz

ą

ą

stka mog

stka mog

ą

ą

oddzia

oddzia

ł

ł

ywa

ywa

ć

ć

bardzo

bardzo

gwa

gwa

ł

ł

townie

townie

–

–

znika

znika

ć

ć

i pojawia

i pojawia

ć

ć

si

si

ę

ę

w parach

w parach

„

„

Oznaczenie

Oznaczenie

–

–

kreska nad symbolem cz

kreska nad symbolem cz

ą

ą

stki np.

stki np.

kwark u i antykwark

kwark u i antykwark

⎯

⎯

u

u

Kolor

Kolor

–

–

cd

cd

„

„

wszystkie kwarki s

wszystkie kwarki s

ą

ą

kolorowe

kolorowe

„

„

gluony

gluony

–

–

te

te

ż

ż

maj

maj

ą

ą

kolor ale

kolor ale

„

„

podw

podw

ó

ó

jny

jny

”

”

kolor i antykolor

kolor i antykolor

np. gluon czerwono

np. gluon czerwono

-

-

antyniebieski

antyniebieski

„

„

foton

foton

„

„

czuje

czuje

ł

ł

adunek el.

adunek el.

”

”

, gluon

, gluon

–

–

ł

ł

adunek

adunek

kolorowy

kolorowy

–

–

(oddzia

(oddzia

ł

ł

uje z.., sprz

uje z.., sprz

ę

ę

ga si

ga si

ę

ę

do..)

do..)

„

„

makroskopowo

makroskopowo

–

–

ł

ł

adunek kolorowy nie wyst

adunek kolorowy nie wyst

ę

ę

puje, bo

puje, bo

kwarki nie wyst

kwarki nie wyst

ę

ę

puj

puj

ą

ą

pojedynczo

pojedynczo

F. Close

H atom

(not to scale!)

a miracle
of
neutrality

electron

balances

uu

d

hint of unification