cząstki elementarne

1

CZĄSTKI ELEMENTARNE

cząstki trwałe p, e,

γ

,

ν

e

,

ν

µ

cząstki quasi-trwałe n
cząstki nietrwałe

µ, π

, K,

Σ, ...

τ

1/2

є

(10

−6

− 10

−23

)

s

Obecnie znanych jest

kilkaset

rodzajów cząstek wytwarzanych w

akceleratorach

Fermilab (Chicago), CERN (Genewa), SLAC (Stanford), DESY

(Hamburg)

Kryterium elementarności

•

wszystkie cząstki są elementarne

•

żadna cząstka nie jest elementarna

cząstki elementarne

2

FERMIONY I BOZONY

Rozkłady prędkości ok. 2000 atomów Rb

87

w temperaturach T

1

> T

2

> T

3

T

3

= 1,7

x

10

-7

K

T

1

T

2

T

3

kondensat
Bosego-
Einsteina

BEC

1995
Cornell
Wieman

cząstki elementarne

3

PODZIAŁ CZĄSTEK

cząstki

BOZONY

s = 0, 1, 2, ...

FERMIONY

s = 1/2, 3/2, ...

nie

oddziałujące silnie

FOTON, Z, W

LEPTONY

oddziałujące silnie

HADRONY

MEZONY

BARIONY

cząstki elementarne

4

CZĄSTKI I ANTYCZĄSTKI

•

w 1928 Dirac przewidział istnienie pozytonu

•

w 1932 Carl Anderson wykrył pozyton

. (

w promieniowaniu kosmicznym)

•

w 1995 - 9 atomów antywodoru (CERN)

•

w 2002 - 50 000 atomów antywodoru (CERN)

ślady pary cząstek, wytworzonej w wyniku procesu

kreacji, z kwantu

γ

, który wpadł od dołu do komory

cząstki elementarne

5

LEPTONY

Rodzina

leptonów

cząstka

Liczba

leptonowa

L

e

L

µ

L

τ

Spin

[ħ]

masa

[MeV]

Średni czas życia

[s]

e

−

+1

0

0

1/2

0,511

∞

Dublet

elektronowy E

ν

e

+1

0

0

1/2

< 46 ·10

-6

∞

µ

−

0

+1

0

1/2

105,7

2,2 ·10

-6

Dublet

mionowy M

ν

µ

0

+1

0

1/2

< 0,25

∞

τ

−

0

0

+1

1/2

1777

3,5 ·10

-13

Dublet

taonowy T

ν

τ

0

0

+1

1/2

< 70

?

Zasady zachowania: L

e

, L

µ

, L

τ

µ

+

→ e

+

+

ν

e

+

ν

µ

taon odkrył w 1975 Martin Perl

cząstki elementarne

6

NEUTRINA

ŹRÓDŁA
rozszczepienie jądrowe

n → p + e

−

+

ν

e

rozszczepienie jądrowe

p → n + e

+

+

ν

e

wybuchy supernowych wszystkie neutrina


DETEKCJA

p

+

ν

e

→ n + e

+

71

Ga +

ν

e

→

71

Ge + e

−

37

Cl +

ν

e

→

37

Ar + e

−

przykłady:

630 ton C

2

Cl

4

(10

29

jąder) 1 atom

37

Ar na dwa dni

30 ton Ga w GaCl

3

(10

29

jąder) 1 atom

71

Ge dziennie

w Wielkim Obłoku
Magellana
170 000 lat św. stąd

1987

cząstki elementarne

7

HADRONY

mezony B = 0 i bariony B

≠

0

Mezony, B = 0

mezony

cząstka

spin

[ħ]

masa
MeV

czas życia

(średni)

skład

kwarkowy

π

+

, π

−

0

139,57

2,6

x

10

-8

π

0

0

134,96

0,8

x

10

-16

zwykłe

η

0

0

548,8

0,7

x

10

-18

K

+

,

0

493,67

1,2

x

10

-8

dziwne S ≠ 0

K

0

0

497,7

0,9

x

10

-10

5,2

x

10

-8

D

+

0

1869

9

x

10

-13

D

0

0

1865

5

x

10

-13

powabne C ≠ 0

F

+

0

1971

2

x

10

-13

cząstki elementarne

8

HADRONY

Bariony, B = +1

bariony

cząstka

spin

[ħ]

masa
MeV

czas życia

(średni)

skład

kwarkowy

p

1/2

938,28

.>10

32

lat

zwykłe

(nukleony)

n

1/2

939,57

898

Λ

0

1/2

1115,6

2,6

x

10

-10

Σ

+

1/2

1189,4

0,8

x

10

-10

Σ

0

1/2

1192,5

5

x

10

-20

Σ

−

1/2

1197,3

1,5

x

10

-10

Ξ

0

1/2

1315

2,9

x

10

-10

Ξ

−

1/2

1321,3

1,6

x

10

-10

dziwne S ≠ 0

hiperony

Ω

−

3/2

1672,5

0,8

x

10

-10

powabne C ≠ 0

hiperon

Λ

c

Λ

C

+

1/2

2281

(2-3)

x

10

-13

cząstki elementarne

9

ŚLADY Z KOMORY PĘCHERZYKOWEJ

Zasady

zachowania:

E, p, s, q,

L

B

, L

e

, L

µ

, L

τ



komora wypełniona

jest ciekłym wodorem

1.

p + p

4

π

+

+

4

π

−

2.

π

+

µ

+

+

ν

3.

rozpad mionu

µ

+

e

+

+

ν + ν

cząstki elementarne

10

CZĄSTKI DZIWNE

Cząstki takie jak kaon (K) czy sigma (

Σ

) powstają zawsze

parami:

π

+

+ p → K

+

+

Σ

+

zachodzi

π

+

+ p →

π

+

+

Σ

+

nie zachodzi

Prawo zachowania dziwności:

Dziwność S jest zachowywana w oddziaływaniach silnych

K

+

ma S = 1 a

Σ

+

ma S =

−

1

cząstki elementarne

11

ŚCIEŻKA OŚMIOKROTNA

cząstki elementarne

12

ŚCIEŻKA OŚMIOKROTNA

cząstki elementarne

13

HIPOTEZA KWARKÓW

1964

Murray Gell-Mann i George Zweig

Kwarki

B=1/3

ładunek

Dziwność

górny

u

2/3

0

dolny

d

-1/3

0

dziwny

s

-1/3

-1

proton = uud

neutron = udd

Σ

−

= dds

n
p + e

−

+

ν

e

d
u + e

−

+

ν

e

cząstki elementarne

14

CHROMODYNAMIKA KWANTOWA

Bariony można opisać jako zbudowane z trzech kwarków a mezony z
dwóch.

PARTONY

Wyniki doświadczeń nad rozpraszaniem elektronów na protonach wskazują,
że w protonach występują punktowe składniki zachowujące się jak cząstki
swobodne.

Efekty relatywistyczne (dylatacja czasu) powodują, że w układzie
elektronów partony są „zamrożone”.

cząstki elementarne

15

SIŁY ODDZIAŁYWANIA KWARKÓW

Siły wzajemnego oddziaływania kwarków są na tyle

duże

, by uniemożliwić

wydostawanie się z hadronów, ale zgodnie z interpretacją rozpraszania
elektronów na protonach oddziaływania kwarków są

pomijalnie słabe

.

Hipoteza uwięzienia kwarków

Siła

oddziaływania między kwarkami

rośnie gdy rośnie odległość

między

nimi. Rosnąca nieograniczenie siła oddziaływania wiąże kwarki w taki
sposób, że skończone masy mogą mieć tylko białe układy kwarków.

↓↓↓↓

CHROMODYNAMIKA KWANTOWA

Kwantowa teoria pola opisująca oddziaływania silne

cząstki elementarne

16

KWARKI

Kwarki

(zapachy)

B=1/3

Masa

MeV/c

2

ładunek

Dziwność

S

Powab

C

górny

u

5

2/3

0

0

dolny

d

10

-1/3

0

0

powabny

c

1 500

2/3

0

1

dziwny

s

200

-1/3

-1

0

wysoki*

t

175 000

2/3

0

0

niski

b

4 300

-1/3

0

0

*) odkryty w 1995 w zderzeniach protonów i antyprotonów o energii 9·10

11

eV (0,9 TeV)

Kwarki mają liczbę spinową s = ½
Kolory:

czerwony

,

zielony

lub

niebieski

cząstki elementarne

17

ODDZIAŁYWANIA KWARKÓW

Kwarki oddziałują wymieniając gluony

Każdy gluon ma dwa kolory

...

.

,

,

,

,

,

,

c

n

n

c

z

c

n

n

z

z

c

c

Hipoteza uwięzienia koloru

W przyrodzie mogą występować tylko obiekty białe, w których

kolorowe kwarki są uwięzione.

cząstki elementarne

18

CHROMODYNAMIKA KWANTOWA

•

Gluony podobnie jak fotony nie mają masy

•

mają spin s = 1

•

różnią się tym, że mają ładunek kolorowy i mogą ze sobą oddziaływać.

•

struktura próżni powoduje przyciąganie się linii pola
chromomagnetycznego tak, że tworzą one wąską wiązkę.

cząstki elementarne

19

CHROMODYNAMIKA KWANTOWA

Odciągnięcie kwarków na odległość rzędu promienia protonu
powoduje wpompowanie do układu energii wystarczającej do
rozerwania linii pola i generacji pary kwark antykwark

cząstki elementarne

20

MODEL STANDARDOWY

chromodynamika kwantowa + oddziaływanie elektrosłabe

Cząstki materii:

1

0

,

,

,

:

leptony

3

1

3

2

,

,

,

:

kwarki

-

q

q

e

/

-

q

/

q

b

t

s

c

d

u

e

=

=





































=

=





































τ

ν

µ

ν

ν

τ

µ

oraz ich antycząstki.

Kolory:

czerwony

,

zielony

,

niebieski

i leptonowy

Model nie ogranicza liczby pokoleń kwarków i leptonów

cząstki elementarne

21

ODDZIAŁYWANIA

Oddziaływanie

cząstki
pośredniczące

Spin

[ħ]

Masa

[GeV]

zapach

kolor

Silne

8 gluonów g

i

1

0

-

+

Elektromagnetyczne 1 foton

γ

1

0

-

-

Słabe

3 bozony

W

+

, W

−

, Z

0

1

≈ 80

≈ 90

+

-

grawitacyjne

1 grawiton G

2

0

-

-

Ładunek

Masa GeV/c

2

W

+1 /

−

1

80,6

Z

0

91,2

bozon Higgsa spin = 0

cząstki elementarne

22

MODEL STANDARDOWY

Leptony i antyleptony (12) + kwarki i antykwarki (36),

foton i bozony oddziaływań słabych (4) + gluony (8)

+ higgson = 61

•

Kwarki podlegają oddziaływaniom silnym, elektromagnetycznym

i słabym

•

Leptony e,

µ

i

τ

- elektromagnetycznym i słabym

•

neutrina tylko słabym.

Oddziaływania leptonów i kwarków opisuje się w ramach kwantowej teorii

pola z cechowaniem

, w którym nośnikami sił są bozony wektorowe.

cząstki elementarne

23

MODEL STANDARDOWY

•

W kwantowej teorii pola na bardzo małych odległościach

znika podział na

cząstki i pola

.

•

W Modelu Standartowym jedno z pół oddziałujących słabo, pole Higgsa,
ma w próżni różną od zera energię potencjalną, co oznacza, że

próżnia nie

jest pusta

. Pozwala to wyjaśnić masy cząstek.

•

Konsekwencją takiej własności próżni jest istnienie cząstki o spinie 0
nazywanej

cząstką Higgsa

, jedynej nie odkrytej dotąd cząstki

przewidywanej przez Model Standardowy.

MS opisuje z bardzo
dużą dokładnością
wszystkie znane procesy
o energiach cząstek do

10

11

eV.

cząstki elementarne

24

GUT

TEORIA WIELKIEJ UNIFIKACJI

Oczekuje się, że określi praźródło wszelkich oddziaływań i wyjaśni,
dlaczego Wszechświat zbudowany jest tylko z materii.

Na razie (2005) wydaje się, że oba człony Teorii Standardowej (teoria
oddziaływań elektrosłabych i chromodynamika kwantowa) mogą
stanowić tylko niskoenergetyczne przybliżenie jakiejś ogólnej teorii,
w której oddziaływania silne i elektrosłabe są tym samym
oddziaływaniem.

Stałe sprzężenia dążą do wspólnej wartości dla energii rzędu 10

16

GeV