Big Bang

teraz

Atomy

• protony, neutrony i

elektrony

• 99.999999999999%
atomu jest pusta
• Elektrony są tam, gdzie

prawdopodobieństwo

ich znalezienia jest

największe

• W jadrach sa protony i

neutrony

jądro

m

p

= 1836 m

e

Leptony

• Elektron - przykład leptonu – cząstki, która

ma rozmiary punktowe

• Neutrina są też leptonami
• Istnieją 3 generacje leptonów, każdy ma

cząstkę obdarzoną masą i bezmasowe(?)

neutrino

• Każdy lepton ma anty-lepton (np.elektron i

pozyton)

• Cięższe leptony ulegaja rozpadowi na

lżejsze leptony plus plus neutrina (liczba

leptonowa musi być zachowana)

Typy Leptonów

Lepton

Ładunek

Masa
(GeV/c

2

)

Elektronow

e neutrino

0

0

Elektron

-1

0.000511

Muonowe
neutrino

0

0

Muon

-1

0.106

Tau

neutrino

0

0

Tau

-1

175

Kwarki

• Protony i neutrony są

zbudowane z
mniejszych cząstek

• Są to “kwarki”,

(Murray Gellman -
James Joyce “three
quarks for Muster
Mark”

• Każdy kwark ma swój

anty-kwark

Współczesny

obraz atomu

Rozmiary atomowe

• Atomy 10

-10

m

• Jądra 10

-14

m

• Protony 10

-15

m

• Elektrony i kwarki

1000 razy mniejsze
od protonu

Typy kwarków

Zapach

Ładunek Masa

(GeV/c

2

)

Up

2/3

0.003

Down

-1/3

0.006

Charm

2/3

1.3

Strange -1/3

0.1

Top

2/3

175

Bottom

-1/3

4.3

 Kwarki występują w
3 generacjach
 Materia jest
zbudowana z 2
najlżejszych kwarków

Kwarki

Up, down, charm, strange, top and bottom

Świat jest zbudowany z kwarków i leptonów…

Kwarki

• Cząstki zbudowane z

kwarków to

hadrony

• 3 kwarki tworzą

bariony

(np. protony i neutrony)

• kwark i antykwark mogą

tworzyć

mezon

(piony

and kaony)

proton

mezon



Ładunki kwarków dodają się tak, że wypadkowy

ładunek hadronów jest całkowity.

Ładunek elektryczny

Kwarki mają niezwykłą własność - ich ładunek elektryczny jest

ułamkowy,

w przeciwieństwie do protonu i elektronu, mających odpowiednie
ładunki +1 i -1.
Najtrudniej uchwytny kwark,

prawdziwy

, został odkryty w roku 1995.

Mamy

sześć kwarków

, pogrupowanych

w trzy pary :

Górny - dolny

(up/down),

Powabny - dziwny

(charm/strange)

prawdziwy -

piękny

(truth/beauty).

- jednak obecnie

w języku angielskim używa się innych nazw:
top/bottom.

Kwarki

są jednym z rodzajów cząstek materii. Większość materii, która

nas otacza, jest zbudowana z protonów i neutronów, które z kolei składają się
właśnie z kwarków.

3

1

lub

3

2



 e

Ładunki kolorowe

• Każdy kwark ma ładunek

kolorowy a antykwark –

ładunek antykolorowy

• Czastki zbudowane z kwarków

nie mają ładunku kolorowego

(R+B+G lub kolor + anty-kolor

Wymiana gluonu

• Kwarki w jądrze wymieniają gluony

Kwarki oprócz ładunku elektrycznego posiadają jeszcze inny rodzaj
ładunku, zwany

ładunkiem kolorowym

. Siły pomiędzy cząstkami

naładowanymi kolorowo są bardzo silne, stąd też wywodzi się
nazwa przyjęta dla tego oddziaływania:

Oddziaływanie
silne

•Oddziaływanie silne zespala kwarki,
które tworzą hadrony.

• Cząstki nośnika siły nazwano

gluonem

ponieważ pełni on rolę

bardzo mocnego kleju zespalającego
kwarki("glue" w języku angielskim
oznacza klej).

• Istnieje 8 gluonów

Oddziaływanie silne pomiędzy

kwarkami

w

jednym protonie i

kwarkami

w innym protonie

jądra jest wystarczająco duże, by
przezwyciężyć odpychającą siłę
elektromagnetyczną pomiędzy tymi protonami.

Efekt ten nazwano

resztkowym

oddziaływaniem silnym

, i jest to właśnie to, co

"skleja" (glue - ang. sklejać) jądro atomowe.

Ładunek kolorowy

zachowuje się inaczej niż ładunek

elektromagnetyczny. Gluony posiadają ładunek
kolorowy, co jest dość dziwne, gdyż fotony (nośniki siły
ektromagnetycznej) nie mają ładunku
elektromagnetycznego. Podczas gdy kwarki mają
ładunek kolorowy, to

całkowity ładunek kolorowy

cząstek złożonych z kwarków wynosi

zero

(są one

kolorowo obojętne

). Z tego powodu oddziaływanie silnie

występuje tylko na bardzo małych odległościach
pomiędzy kwarkami i dlatego w życiu codziennym siły
tej w ogóle nie widzimy.

Jak działa ładunek kolorowy?

Kwark emituje gluon

• Ładunek kolorowy

jest zachowany

• Gdy czerwony

kwark emituje
czerwony/anty-
niebieski gluon
staje się kwarkiem
niebieskim

Siły atomowe

• Elektrony są związane z

jądrem siłą Coulomba

(elektromagnetyczna)

• Protony w jądrze są

utrzymywane dzięki

oddziaływaniu silnemu

• Neutrony emitują cząstki

beta zamieniają się w

proton poprzez słabe

oddziaływanie jądrowe.

F = k q

1

q

2

r

2

n = p + e

+



Oddziaływania słabe

są odpowiedzialne za

rozpad ciężkich kwarków i leptonów na lżejsze
kwarki i leptony.

Cząstki przenoszące oddziaływanie słabe to:

bozony

W

+

, W

-

i Z

.

Cząstki W są naładowane elektrycznie, podczas gdy
cząstka Z jest elektrycznie obojętna.

U

d

+

+

e

e

u

d















1

3

2

3

1

proton

Anihilacja elektronu

Oddziaływania

fundamentalne

• Oddz. grawitacyjne i

elektromagnet. są
dlugozasięgowe

• Silne i słabe oddz. są

krótkozasięgowe (<10

-14

m)

• Słabe oddz. jest ok. 10

-8

razy słabsze od silnego

Nośniki oddziaływań

• Foton jest nośnikiem

oddziaływania
elektromagnetyczneg
o miedzy ładunkami.

• Gluon jest nośnikiem

oddz. silnego między
ładunkiem kolorowym
kwarków



Nośniki oddziaływań

• Rozdzielenie dwóch

powoduje powstanie

następnych (energia

pola kolorowego rośnie

dopóki nie utworzą się 2

nowe kwarki)

• Nośnikami oddz. słabego

są bozony W i Z ; cięższe

kwarki i leptony ulegają

rozpadowi na lżejsze

wymieniając zapach.

Unifikacja oddziaływań

• Oddz. słabe i elektromagnet. –

oddz. elektrosłabe. Mają podobne
działanie na odległościach rzędu
10

-18

m

– Oddz. słabe jest słabsze od oddz. em.

na większych odległościach, bo
bozony W i Z są cieżkie a fotony nie
mają masy

• GUT ? (“Grand Unified Theories)

Grawitacja

• Nośnik – grawiton – narazie nie

zaobserwowany

• TOE? (“Theory of Eveything”)

-połaczenie OTW i 3 rodz.
oddziaływań.

Oddziaływania

Spin

• Musi być zachowany podczas oddziaływań

cząstek!!

• Spin połówkowy - “fermiony”
• Spin całkowity - “bozony”

*

Graviton

ma spin 2

Liczby kwantowe

• Ładunek elektr. (ułamkowy dla kwarków,

całkowity dla wszystkich pozost.)

• Spin (połówkowy lub całkowity)
• Ładunek kolorowy (wszystkie cząstki

neutralne )

• Zapach (rodzaj kwarka)
• Liczba leptonowa (elektron, muon lub

tau)

• Fermiony ( zakaz Pauliego)
• Bozony

Model Standardowy

• 6 kwarków (i 6 anty)
• 6 leptonów (i 6 anty)
• 4 siły
• Nosniki oddz. (, W

+

, W

-

, Z

o

, 8 gluonów,

grawiton)

Unification of Fundamental

Forces

Electricity

Magnetism

Light

Beta-decay

Neutrinos

Protons

Neutrons

Pions, etc.

Earth Gravity

Celestial Mech.

Electromagnetism

Weak Interaction

Strong Interaction

Universal Gravity

Spacetime Geom.

Electroweak Interaction

Standard

Model

General

Relativity

?