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
