Model Standardowy 5.III.2008
Model Standardowy 5.III.2008
Model Standardowy to teoria materii w oparciu o
Model Standardowy to teoria materii w oparciu o
fundamentalne cząstki i siły
fundamentalne cząstki i siły
Materia: czÄ…steczki->atomy->jÄ…dra at. (i elektrony)
Materia: czÄ…steczki->atomy->jÄ…dra at. (i elektrony)
->nukleony->kwarki (kwarki: Gell-Mann i Zweig 63)
->nukleony->kwarki (kwarki: Gell-Mann i Zweig 63)
Siły: realizują się przez wymianę cząstek
Siły: realizują się przez wymianę cząstek
Czyli - wszystko zawarte we własnościach cząstek
Czyli - wszystko zawarte we własnościach cząstek
Przykład: różnica mas kwarku u i d
Przykład: różnica mas kwarku u i d
różnica mas kwarku u i d
różnica mas kwarku u i d
Te kwarki tworzÄ… proton (uud) i neutron (ddu)
Te kwarki tworzÄ… proton (uud) i neutron (ddu)
[mp=938.3 MeV/c2 , mn=939.5 MeV/c2, " m=1.3 MeV/c2]
[mp=938.3 MeV/c2 , mn=939.5 MeV/c2, " m=1.3 MeV/c2]
Rozpad neutronu =
Rozpad neutronu =
rozpad kwarku d na kwark u (+& )
rozpad kwarku d na kwark u (+& )
Kwark d  ma większą masę i rozpada się na
Kwark d  ma większą masę i rozpada się na
czÄ…stkÄ™ o mniejszej masie
czÄ…stkÄ™ o mniejszej masie
Ale co by było jeśli byłoby odwrotnie?
Ale co by było jeśli byłoby odwrotnie?
Proton jest trwały
Proton jest trwały
a neutron - nie
a neutron - nie
Słońce świeci  rozpad neutronu
Słońce świeci  rozpad neutronu
Woda istnieje (proton = jÄ…dro wodoru)
Woda istnieje (proton = jÄ…dro wodoru)
Rozpad neutronu n -> p e Å»#½e
Rozpad neutronu n -> p e Å»#½e
Dlaczego nie &
Dlaczego nie &
Zasada zachowania energii
Zasada zachowania energii
W każdej reakcji (zderzeniu, rozpadzie):
W każdej reakcji (zderzeniu, rozpadzie):
energia końcowa = energia początkowa
energia końcowa = energia początkowa
Każda cząstka o masie m ma związana z nią
Każda cząstka o masie m ma związana z nią
energiÄ™ E=mc2
energiÄ™ E=mc2
Więc rozpad możliwy na cząstki o mniejsze masie;
Więc rozpad możliwy na cząstki o mniejsze masie;
bardziej masywne cząstki mają więcej szans na
bardziej masywne cząstki mają więcej szans na
rozpad
rozpad
Zasada zachowania energii  ściśle
Zasada zachowania energii  ściśle
przestrzegana przez NaturÄ™
przestrzegana przez NaturÄ™
Przykład rozpadu neutronu: bilans masy
Przykład rozpadu neutronu: bilans masy
(940.5- [938.3+0.511+0] = 0.80) MeV/c2
(940.5- [938.3+0.511+0] = 0.80) MeV/c2
-> energia kinetyczna produktów rozpadu
-> energia kinetyczna produktów rozpadu
Jednostka energii: elektronowolt eV
Jednostka energii: elektronowolt eV
eV energia elektronu po przejściu w polu
eV energia elektronu po przejściu w polu
elektrycznym różnicy potencjału 1 Volta
elektrycznym różnicy potencjału 1 Volta
(to jest b. mała jednostka energii, elektron w
(to jest b. mała jednostka energii, elektron w
telewizorze kilka keV)
telewizorze kilka keV)
eV-> MeV, GeV, TeV
eV-> MeV, GeV, TeV
Tevatron - 2 TeV, LHC  14 TeV,
Tevatron - 2 TeV, LHC  14 TeV,
energia promieni kosmicznych do 1021 eV=109 TeV
energia promieni kosmicznych do 1021 eV=109 TeV
Cząstki elementarne często z prędkościami
Cząstki elementarne często z prędkościami
bliskimi prędkości światła c
bliskimi prędkości światła c
Więc wszędzie pojawia się c i dla WYGODY -> c=1
Więc wszędzie pojawia się c i dla WYGODY -> c=1
a ponieważ związek Einsteina E=mc2
a ponieważ związek Einsteina E=mc2
masę i energię wyrażamy w tych samych jednostkach
masę i energię wyrażamy w tych samych jednostkach
Zachowanie Å‚adunku elektrycznego
Zachowanie Å‚adunku elektrycznego
Zasada zachowania Å‚adunku el.
Zasada zachowania Å‚adunku el.
- ściśle przestrzegana w przyrodzie
- ściśle przestrzegana w przyrodzie
dlatego np. proton nie mogłby się rozpaść na
dlatego np. proton nie mogłby się rozpaść na
elektron (plus antyneutrino - el. neutralne)
elektron (plus antyneutrino - el. neutralne)
Ta zasada była znana zanim fizyka cząstek się
Ta zasada była znana zanim fizyka cząstek się
rozwinęła (ale wraz z rozwojem tej dziedziny inne
rozwinęła (ale wraz z rozwojem tej dziedziny inne
podobne prawa zachowania się pojawiły)
podobne prawa zachowania się pojawiły)
A
adunek czÄ…stek elementarnych  tylko w
A
adunek czÄ…stek elementarnych  tylko w
określonych porcjach  > skwantowanie ładunku
określonych porcjach  > skwantowanie ładunku
Niech Å‚adunek el. elektronu = -1, wtedy
Niech Å‚adunek el. elektronu = -1, wtedy
Å‚adunek el. protonu +1,
Å‚adunek el. protonu +1,
ale kwarku u wynosi 2/3!
ale kwarku u wynosi 2/3!
Obserwowane cząstki el mają ładunek el będący
Obserwowane cząstki el mają ładunek el będący
wielokrotnością ładunku el. elektronu  czyli
wielokrotnością ładunku el. elektronu  czyli
n=0,1,2& lub -1,-2,&
n=0,1,2& lub -1,-2,&
(n=0  cząstka neutralna lub obojętna)
(n=0  cząstka neutralna lub obojętna)
Liczba Å‚adunkowa (charge number)
Liczba Å‚adunkowa (charge number)
Zasada zachowania Å‚adunku
Zasada zachowania Å‚adunku
czyli zachowanie liczby Å‚adunkowej
czyli zachowanie liczby Å‚adunkowej
końcowa l. ład.= początkowa l. ład.
końcowa l. ład.= początkowa l. ład.
(-> suma l. Å‚adunkowych czÄ…stek)
(-> suma l. Å‚adunkowych czÄ…stek)
Kwantowa liczba Å‚adunkowa
Kwantowa liczba Å‚adunkowa
(charge quantum number)
(charge quantum number)
- pierwszy przykład liczby kwantowej
- pierwszy przykład liczby kwantowej
Liczby kwantowe
Liczby kwantowe
Rozpad protonu nie jest zabroniony przez
Rozpad protonu nie jest zabroniony przez
zasadÄ™ zachowania Å‚adunku el.
zasadÄ™ zachowania Å‚adunku el.
zasada zachowania energii też pozwala
zasada zachowania energii też pozwala
np. p -> Å»#e + neutrino
np. p -> Å»#e + neutrino
Więc co zabrania?
Więc co zabrania?
Stückelberg (1938)  nowa idea:
Stückelberg (1938)  nowa idea:
inna liczba kwantowa (tzn. jej zachowanie)
inna liczba kwantowa (tzn. jej zachowanie)
Doświadczalne potwierdzenie tej hipotezy-testy
Doświadczalne potwierdzenie tej hipotezy-testy
np. dlaczego neutron nie rozpada siÄ™ na: e +Å»#e?
np. dlaczego neutron nie rozpada siÄ™ na: e +Å»#e?
Nowa liczba kwantowa: liczba barionowa
Nowa liczba kwantowa: liczba barionowa
Proton=+1,neutron=+1 ( Ż#p, Ż#n = -1), pozostałe= 0
Proton=+1,neutron=+1 ( Ż#p, Ż#n = -1), pozostałe= 0
zachowana w Naturze
zachowana w Naturze
(baryon, z greckiego cieżki)
(baryon, z greckiego cieżki)
Kolory  nowe liczby kwantowe
Kolory  nowe liczby kwantowe
Czerwony, niebieski , zielony  dla kwarków
Czerwony, niebieski , zielony  dla kwarków
(i antyczerwony, antyniebieski, antyzielony dla
(i antyczerwony, antyniebieski, antyzielony dla
antykwarków)
antykwarków)
Wszystkie kwarki sÄ… kolorowe
Wszystkie kwarki sÄ… kolorowe
Gluony  też mają kolor ale  podwójny
Gluony  też mają kolor ale  podwójny
kolor i antykolor
kolor i antykolor
np. gluon czerwono- antyniebieski
np. gluon czerwono- antyniebieski
foton  czuje Å‚adunek el. , gluon  Å‚adunek
foton  czuje Å‚adunek el. , gluon  Å‚adunek
kolorowy  (oddziałuje z.., sprzęga się do..)
kolorowy  (oddziałuje z.., sprzęga się do..)
3 kolory mogą się złożyć do  koloru
3 kolory mogą się złożyć do  koloru
białego , czyli braku koloru
białego , czyli braku koloru
Makroskopowo  Å‚adunek kolorowy nie
Makroskopowo  Å‚adunek kolorowy nie
występuje, bo kwarki nie występują
występuje, bo kwarki nie występują
pojedynczo
pojedynczo
stany związane kwarków są neutralne
stany związane kwarków są neutralne
kolorowo
kolorowo
(tak jak atomy - neutralne elektrycznie)
(tak jak atomy - neutralne elektrycznie)
Proton, neutron są tak złożone z kolorowych
Proton, neutron są tak złożone z kolorowych
kwarków, ze ich wypadkowy kolor jest biały.
kwarków, ze ich wypadkowy kolor jest biały.
W protonie i neutronie
W protonie i neutronie
kwarki zmieniaja kolor (bo cały czas wymieniają się
kwarki zmieniaja kolor (bo cały czas wymieniają się
gluonami), ale stan zawsze zawiera takÄ… kombinacjÄ™
gluonami), ale stan zawsze zawiera takÄ… kombinacjÄ™
która oznacza brak koloru dla p i n (singlety kolorowe)
która oznacza brak koloru dla p i n (singlety kolorowe)
u u u
d u
d u
proton neutron
d d
u
d
d
Kwarki -
Kwarki -
Liczba barionowa p i n = +1
Liczba barionowa p i n = +1
StÄ…d kwarki maja liczbÄ™ barionowÄ… 1/3
StÄ…d kwarki maja liczbÄ™ barionowÄ… 1/3
A
adunek elektryczny
A
adunek elektryczny
kwarków q = 2/3 lub -1/3
kwarków q = 2/3 lub -1/3
antykwarków Ż#q = -2/3 i 1/3
antykwarków Ż#q = -2/3 i 1/3
u = 2/3, d=-1/3 stÄ…d Å‚ad. el. p =+1, n=0
u = 2/3, d=-1/3 stÄ…d Å‚ad. el. p =+1, n=0
Liczba elektronowa
Liczba elektronowa
Zawsze elektronowi towarzyszy czÄ…stka
Zawsze elektronowi towarzyszy czÄ…stka
neutrino (lub anty-neutrino)
neutrino (lub anty-neutrino)
np. w rozpadzie neutronu
np. w rozpadzie neutronu
Liczba elektronowa: dla elektronu e=+1,
Liczba elektronowa: dla elektronu e=+1,
dla neutrina elektronowego ½e=+1
dla neutrina elektronowego ½e=+1
I dla ich antyczÄ…stek = -1, inne =0
I dla ich antyczÄ…stek = -1, inne =0
Więc jeśli l. elektronowa ma być zachowana,
Więc jeśli l. elektronowa ma być zachowana,
to rozpad neutronu musi być taki: n -> p e Å»#½e
to rozpad neutronu musi być taki: n -> p e Å»#½e
Proces  skrzyżowany (crossing) : ½e n-> p e
Proces  skrzyżowany (crossing) : ½e n-> p e
też istnieje. Proces Å»#½e p -> neutron Å»#e
też istnieje. Proces Å»#½e p -> neutron Å»#e
odkrycie ½ Covan,Reines 1956 (Nobel 1995)
odkrycie ½ Covan,Reines 1956 (Nobel 1995)
przedtem neutrino - tylko hipoteza 1930
przedtem neutrino - tylko hipoteza 1930
Pauli (zachowanie energii w rozpadzie n)
Pauli (zachowanie energii w rozpadzie n)
Pierwsza rodzina
Pierwsza rodzina
Kwarki o Å‚ad. el. 2/3 u (3 kolory)
Kwarki o Å‚ad. el. 2/3 u (3 kolory)
-1/3 d (3 kolory)
-1/3 d (3 kolory)
Leptony 0 ½e
Leptony 0 ½e
-1 e
-1 e
(Leptony  z greckiego małe)
(Leptony  z greckiego małe)
Siły  elektromagnetyczne (foton- el. ład 0, masa 0)
Siły  elektromagnetyczne (foton- el. ład 0, masa 0)
Silniejsze dla większego ładunku (co do wartości bezwzględnej)
Silniejsze dla większego ładunku (co do wartości bezwzględnej)
- czyli oddz. e-m silniejsze dla kwarku u niż d, z neutrinem nie ma oddz. e-m.
- czyli oddz. e-m silniejsze dla kwarku u niż d, z neutrinem nie ma oddz. e-m.
Wszystkie naładowane el. cząstki mogą emitować i pochłaniać fotony
Wszystkie naładowane el. cząstki mogą emitować i pochłaniać fotony
Np..
Np..
Oczywiście istnieje też pierwsza antyrodzina np. antyleptony +1 Ż#e
Oczywiście istnieje też pierwsza antyrodzina np. antyleptony +1 Ż#e
0 Å»#½e
0 Å»#½e
Oddziaływanie słabe
Oddziaływanie słabe
CzÄ…stek u i d, neutrino i elektron
CzÄ…stek u i d, neutrino i elektron
występują w parach np. w rozpadzie
występują w parach np. w rozpadzie
neutronu, za co są odpowiedzialne siły
neutronu, za co są odpowiedzialne siły
zwane słabymi
zwane słabymi
Bozony oddz. słabych  odpowiedniki
Bozony oddz. słabych  odpowiedniki
fotonu dla oddz. e-m
fotonu dla oddz. e-m
Spin
Spin
Własność zwana spinem  własny obrót
Własność zwana spinem  własny obrót
(kręt)
(kręt)
 spinning tennis ball
 spinning tennis ball
Te obroty mogą być tylko pewnego typu ->
Te obroty mogą być tylko pewnego typu ->
są skwantowane. Każda cząstka ma
są skwantowane. Każda cząstka ma
określony spin, kierunek osi obrotu może się
określony spin, kierunek osi obrotu może się
zmienić, ale nie spin.
zmienić, ale nie spin.
PrzyjmujÄ…c pewnÄ… jednostkÄ™ spinu -
PrzyjmujÄ…c pewnÄ… jednostkÄ™ spinu -
spiny cząstek mogą przyjmować jedynie
spiny cząstek mogą przyjmować jedynie
wartoÅ›ci bÄ™dÄ…ce krotnoÅ›ciÄ… ½ (0, 1, 3/2& ).
wartoÅ›ci bÄ™dÄ…ce krotnoÅ›ciÄ… ½ (0, 1, 3/2& ).
Rodziny i oddziaływania
Rodziny i oddziaływania
Kwarki i leptony  spin ½
Kwarki i leptony  spin ½
Druga rodzina: kwarki c, s (ź, ½ź -l. muonowa),
Druga rodzina: kwarki c, s (ź, ½ź -l. muonowa),
trzecia rodzina:krwarki t, b (Ä,½Ä -l. tauowa)
trzecia rodzina:krwarki t, b (Ä,½Ä -l. tauowa)
Oddziaływania  foton, gluony, bozony
Oddziaływania  foton, gluony, bozony
oddzialywań słabych- spin 1
oddzialywań słabych- spin 1
Spin 0??  czÄ…stka Higgsa?
Spin 0??  czÄ…stka Higgsa?
Lewe i prawe czÄ…stki o spinie 1/2
Lewe i prawe czÄ…stki o spinie 1/2
Lewa (lewo-ręczna) cząstka
Lewa (lewo-ręczna) cząstka
(left-handed)
(left-handed)
Ale to jest względne- bo jak minę taką cząstkę
Ale to jest względne- bo jak minę taką cząstkę
to będzie ona prawą (prawo-ręczną) cząstką.
to będzie ona prawą (prawo-ręczną) cząstką.
Więc jak jest lewa to i prawa cząstka musi
Więc jak jest lewa to i prawa cząstka musi
istnieć  chyba, że masa cząstki jest zero!
istnieć  chyba, że masa cząstki jest zero!
Neutrino  masa zero (?)
Neutrino  masa zero (?)
Neutrino  czÄ…stka lewa
Neutrino  czÄ…stka lewa
Antyneutrino  czÄ…stka prawa
Antyneutrino  czÄ…stka prawa
O ile masa zero  tak jest w Modelu
O ile masa zero  tak jest w Modelu
Standardowym
Standardowym
Ale ostatnie doświadczenia wskazują, że
Ale ostatnie doświadczenia wskazują, że
neutrina maja niezerowÄ… masÄ™
neutrina maja niezerowÄ… masÄ™