Wszechświat cząstek
Wszechświat cząstek
elementarnych
elementarnych
WYKA
AD 3
WYKA
AD 3
4.III.2009
4.III.2009
CzÄ…stki elementarne
CzÄ…stki elementarne
Odkrycia
Odkrycia
Prawa zachowania
Prawa zachowania
CzÄ…stki i antyczÄ…stki
CzÄ…stki i antyczÄ…stki
Fizyka czÄ…stek elementarnych
Fizyka czÄ…stek elementarnych
Wiek XX  niezwykły rozwój fizyki, pojawiły się
Wiek XX  niezwykły rozwój fizyki, pojawiły się
fundamentalne idee:
fundamentalne idee:
- pierwsza połowa to teoria względności,
- pierwsza połowa to teoria względności,
teoria grawitacji i teoria kwantów
teoria grawitacji i teoria kwantów
- druga połowa  fizyka cząstek elementarnych
- druga połowa  fizyka cząstek elementarnych
(teoria czÄ…stek elementarnych lata 70-e XX w.)
(teoria czÄ…stek elementarnych lata 70-e XX w.)
Teoria względności i prawa mechaniki
Teoria względności i prawa mechaniki
kwantowej rządzą w świecie cząstek
kwantowej rządzą w świecie cząstek
elementarnych.
elementarnych.
Obowiązują znane z makroświata prawa
Obowiązują znane z makroświata prawa
zachowania energii i pędu, ładunku elektr.
zachowania energii i pędu, ładunku elektr.
Teoria kwantów i teoria względności
Teoria kwantów i teoria względności
W badaniu struktury materii stosowane sÄ…
W badaniu struktury materii
coraz większe energie, gdyż
Zasada nieoznaczoności Heisenberga
Zasada nieoznaczoności Heisenberga
badanie coraz mniejszych odległości
badanie coraz mniejszych odległości
Relacja E = mc2 produkcja nowych
Relacja E = mc2 produkcja nowych
bardziej masywnych czÄ…stek
bardziej masywnych czÄ…stek
Stosujemy elektrowolt eV jako jednostkÄ™ energii i masy (c =1)
Stosujemy elektrowolt eV jako jednostkÄ™ energii i masy (c =1)
Zoo czÄ…stek elementarnych
Zoo czÄ…stek elementarnych
Definicja: czÄ…stka elementarna- 'obserwowany'
Definicja: czÄ…stka elementarna- 'obserwowany'
obiekt prostszy niż jądro atomowe (wyjątek
obiekt prostszy niż jądro atomowe (wyjątek
jÄ…dro atom. H = proton)
jÄ…dro atom. H = proton)
CzÄ…stki elementarne  AD 2009
CzÄ…stki elementarne  AD 2009
dużo (1000) i różnorodne (Zoo):
dużo (1000) i różnorodne (Zoo):
Różne masy, czasy życia,
Różne masy, czasy życia,
różne ładunki elektryczne,
różne ładunki elektryczne,
grupowanie się w układy (multiplety)
grupowanie się w układy (multiplety)
różne sposoby oddziaływań
różne sposoby oddziaływań
Najprostsze czÄ…stki el. czÄ…stki fundamentalne
Najprostsze czÄ…stki el. czÄ…stki fundamentalne
Cząstki elementarne mogą być złożone (proton)
Cząstki elementarne mogą być złożone (proton)
Odkrycia czÄ…stek elementarnych
Odkrycia czÄ…stek elementarnych
- 'potop' w latach 50-60 XX w
- 'potop' w latach 50-60 XX w
Foton Å‚
Neutrino ½
Kwant - ur. w 1900, 14 grudnia
Kwant - ur. w 1900, 14 grudnia
Max Planck: radykalne wyjaśnienie
Max Planck: radykalne wyjaśnienie
promieniowania cieplnego rozgrzanych ciał.
promieniowania cieplnego rozgrzanych ciał.
Z doświadczenia  > całkowita energia
Z doświadczenia  > całkowita energia
promieniowania zależy tylko od temperatury.
promieniowania zależy tylko od temperatury.
Ale opis dla idealnego z
ródła promieniowania
Ale opis dla idealnego z
ródła promieniowania
('ciało doskonale czarne') nonsensowny,
('ciało doskonale czarne') nonsensowny,
powinno emitować nieskończoną energię
powinno emitować nieskończoną energię
( katastrofa w ultrafiolecie ).
( katastrofa w ultrafiolecie ).
Planck: Dobry opis gdy promieniowanie paczek
Planck: Dobry opis gdy promieniowanie paczek
(kwantów) energii E = h ½. ...Ale to  tragedia
(kwantów) energii E = h ½. ...Ale to  tragedia
Odkrycia czÄ…stek elementarnych
Odkrycia czÄ…stek elementarnych
'potop' w latach 50-60 XX w
'potop' w latach 50-60 XX w
Foton Å‚
Neutrino ½
Masy (E=mc2, jednostka masy = eV/ c2,
(E=mc2, jednostka masy = eV/ c2,
Masy
często pomijamy stały czynnik c2 )
często pomijamy stały czynnik c2 )
Neutrino  0 ?
Neutrino  0 ?
Elektron  0.5 MeV
Elektron  0.5 MeV
Pion  140 MeV
Pion  140 MeV
Proton, neutron - 1 GeV
Proton, neutron - 1 GeV
Istnieją cząstki masywniejsze niż proton
Istnieją cząstki masywniejsze niż proton
nawet 200 razy
nawet 200 razy
Pochodzenie mas czÄ…stek  nadal zagadkÄ…
Pochodzenie mas czÄ…stek  nadal zagadkÄ…
Czy masa cząstki = suma mas składników?
Czy masa cząstki = suma mas składników?
bywa, alenp. niedlap, n
bywa ale np nie dla p n
Czasy życia cząstek elementarnych
Czasy życia cząstek elementarnych
Czas życia układu  czas po którym połowa

Czas życia układu  czas po którym połowa
układów danego typu przestaje istnieć
układów danego typu przestaje istnieć
Czasy życia czÄ…stek elementarnych Ä

Czasy życia czÄ…stek elementarnych Ä
cząstki trwałe  np. elektron i proton
cząstki trwałe  np. elektron i proton
(> 4.6 1026 lat i > 1030 lat)
(> 4.6 1026 lat i > 1030 lat)
czÄ…stki rozpadajace siÄ™ b. szybko 10-24 s
czÄ…stki rozpadajace siÄ™ b. szybko 10-24 s
czÄ…stki rozpadajÄ…ce siÄ™ powoli:
czÄ…stki rozpadajÄ…ce siÄ™ powoli:
mion 2 10-6 s, piony naładowane 2.6 10-8 s
mion 2 10-6 s, piony naładowane 2.6 10-8 s
Prawdopodobieństwo rozpadu małe, gdy

Prawdopodobieństwo rozpadu małe, gdy
czas życia długi i odwrotnie
czas życia długi i odwrotnie
Rozpad czÄ…stki elementarnej
Rozpad czÄ…stki elementarnej
Rozpad cząstki to swobodne przejście do
Rozpad cząstki to swobodne przejście do
innego stanu (to nie jest rozpad na składniki
innego stanu (to nie jest rozpad na składniki
cząstki złożonej, ale przeorganizowanie składu).
cząstki złożonej, ale przeorganizowanie składu).
Np. rozpad ²: neutron (ddu) p(uud) e i 'coÅ›'
Np. rozpad ²: neutron (ddu) p(uud) e i 'coÅ›'
(czas życia neutronu 886 s = 14,8 min)
(czas życia neutronu 886 s = 14,8 min)
1914 J. Chadwick: energia elektronu zmienna
1914 J. Chadwick: energia elektronu zmienna
więc to nie może być rozpad na dwie cząstki
więc to nie może być rozpad na dwie cząstki
Bohr  energia siÄ™ nie zachowuje
Bohr  energia siÄ™ nie zachowuje
Pauli 1931-'coÅ›' bez masy i Å‚adunku (..bez wiary)
Pauli 1931-'coÅ›' bez masy i Å‚adunku (..bez wiary)
Fermi 1932-nazwa neutrino(neutralne maleństwo)
Fermi 1932-nazwa neutrino(neutralne maleństwo)
Produkcja czÄ…stek elementarnych
Produkcja czÄ…stek elementarnych
W zderzeniach czÄ…stek danego typu
W zderzeniach czÄ…stek danego typu
produkcja dwóch, trzech,..N cząstek-
produkcja dwóch, trzech,..N cząstek-
zawsze w zgodzie z zasadÄ…
zawsze w zgodzie z zasadÄ…
zachowania energii i pędu
zachowania energii i pędu
Energia zderzenia może się zamienić
Energia zderzenia może się zamienić
całkowicie na energię spoczynkową
całkowicie na energię spoczynkową
jednej nowej czÄ…stki, zgodnie z E=mc2 -
jednej nowej czÄ…stki, zgodnie z E=mc2 -
produkcja rezonansowa -
produkcja rezonansowa -
tak odkryto wiele czÄ…stek
tak odkryto wiele czÄ…stek
Liczba przypadków w zderzeniach e+e-
Liczba przypadków w zderzeniach e+e-
Energia zderzenia (GeV) => masa czÄ…stki
Energia zderzenia (GeV) => masa czÄ…stki
Zderzacz kosmiczny:w promieniowaniu kosmicznym
odkryto wiele nowych zjawisk w tym czÄ…stki 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
Własności cząstek
Własności cząstek
elementarnych - liczby kwantowe
elementarnych - liczby kwantowe
Cząstki dziwne mają cechę S (dziwność różną
Cząstki dziwne mają cechę S (dziwność różną
od zera); wartości S: 1, 2 , 3.. (i ujemne)
od zera); wartości 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) powab, piękno itp.
Inne cechy (liczby kwantowe) powab, piękno itp.
wszystkim czÄ…stkom przypisujemy odpowiednie
wszystkim czÄ…stkom przypisujemy odpowiednie
liczby kwantowe.
liczby kwantowe.
Te liczby kwantowe dodajÄ… siÄ™ i zachowujÄ… (jak
Te liczby kwantowe dodajÄ… siÄ™ i zachowujÄ… (jak
ładunek elektryczny) w niektórych procesach
ładunek elektryczny) w niektórych procesach
Nośnikami tych liczb kwantowych
Nośnikami tych liczb kwantowych
sÄ… kwarki
sÄ… kwarki
Nukleony i zwykłe kwarki (oraz klej)
Nukleony i zwykłe kwarki (oraz klej)
Proton i neutron = 3 kwarki
Proton i neutron = 3 kwarki
(różne typy kwarków i ich nazwy& )
(różne typy kwarków i ich nazwy& )
kwarki u (up) i d (down)
kwarki u (up) i d (down)
kwarki występują w 3 stanach (barwach,kolorach)
kwarki występują w 3 stanach (barwach,kolorach)
- nowa liczba kwantowa
- nowa liczba kwantowa
czerwone, zielone i niebieskie  to tylko nazwy
czerwone, zielone i niebieskie  to tylko nazwy
u u u
d u
d u
proton neutron
d d
u
Kwarki nie majÄ… struktury! SÄ… fundamentalne..
Kwarki nie majÄ… struktury! SÄ… fundamentalne..
Ale nie występują jako cząstki swobodne  p i n tak
Ale nie występują jako cząstki swobodne  p i n tak
W nukleonach są gluony  sklejające całość (w atomie ->siły e-m, fotony)
W nukleonach są gluony  sklejające całość (w atomie ->siły e-m, fotony)
d
d
AntyczÄ…stki (antymateria)
AntyczÄ…stki (antymateria)
Antycząstki to też cząstki, choć mogą się różnić od
Antycząstki to też cząstki, choć mogą się różnić od
swoich  partnerów pewnymi własnościami.
swoich  partnerów pewnymi własnościami.
Cząstki i antycząstki mają tę samą masę i czas życia
Cząstki i antycząstki mają tę samą masę i czas życia
Np. elektron i pozyton  to para czÄ…stka-antyczÄ…stka
Np. elektron i pozyton  to para czÄ…stka-antyczÄ…stka
(ale która jest którą to sprawa umowy), różnią się
(ale która jest którą to sprawa umowy), różnią się
znakiem Å‚adunku elektrycznego (pozyton ma dodatni
znakiem Å‚adunku elektrycznego (pozyton ma dodatni
Å‚adunek).
Å‚adunek).
Elektron odkryto w 1897 a pozyton w 1932
Elektron odkryto w 1897 a pozyton w 1932
Przewidywanie teoretyczne istnienia antyczÄ…stki 
Przewidywanie teoretyczne istnienia antyczÄ…stki 
Dirac 1928 z analizy równań
Dirac 1928 z analizy równań
Istnienie antyczÄ…stek wynika z prawa przyrody;
Istnienie antyczÄ…stek wynika z prawa przyrody;
cząstka może być swoją antycząstką  np. foton
cząstka może być swoją antycząstką  np. foton
(Å‚adunek elektr. zero);
(Å‚adunek elektr. zero);
Cząstka i antycząstka mogą oddziaływać bardzo
Cząstka i antycząstka mogą oddziaływać bardzo
gwałtownie  znikać i pojawiać się w parach
gwałtownie  znikać i pojawiać się w parach
Oznaczenie  kreska nad symbolem czÄ…stki np.
Oznaczenie  kreska nad symbolem czÄ…stki np.
kwark u i antykwark Å»#u
kwark u i antykwark Å»#u
Kolor  cd
Kolor  cd
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..)
makroskopowo  ładunek kolorowy nie występuje, bo
makroskopowo  ładunek kolorowy nie występuje, bo
kwarki nie występują pojedynczo
kwarki nie występują pojedynczo
H atom
(not to scale!)
a miracle
of
neutrality
electron
balances
uud
F. Close
hint of unification