Particule elementare

1. Particule elementare

2. Forţe fundamentale

3. 4 forţe fundamentale 1 - gravitaţională 2 - electromagnetică 3 - tare 4 - slabă

4. 4 forţe fundamentale

5. Gravitaţia • numai atractivă (nu s-a descoperit încă anti-gravitaţia) • menţine planetele, stelele şi galaxiile împreună • determină structura globală a Universului

6. Electromagnetismul • atractivă pentru sarcini opuse şi repulsivă pentru sarcini asemenea • menţine atomii, moleculele, lichidele şi solidele împreună • se transmite prin fotoni (lumină)

7. Majoritatea forţelor din viaţa zilnică sunt în realitate electromagnetice. Duritatea, elasticitatea, etc. depind de legăturile chimice de natură electromagnetică. Culorile obiectelor se datorează interacţiunii electromagnetice a luminii cu materia

8. Forţa de frecare sau forţa dintre o minge de tenis şi rachetă sunt rezultatul net dintre forţele electromagnetice a multor, multor atomi. Structura majorităţii corpurilor din jurul nostru se datorează legăturii chimice care apare ca rezultat al interacţiunii electromagnetice dintre electronii şi protonii atomilor care-i formează.

9. Forţa tare • rază scurtă de acţiune la nivelul nucleului! • atractivă la distanţe relativ mari, repulsivă la distanţe mici • acţionează între protoni, neutroni şi hadroni • menţine nucleele împreună • este cauza fuziunii în stele

10. Raza de acţiune a forţei tari Forţa nucleară are o rază finită de acţiune nu există nuclee naturale mai grele decât Uraniul cu 92 protoni şi 146 de neutroni. Datorită repulsiei electrostatice dintre protoni cea mai mică perturbaţie determină dezintegrarea alfa a nucleului sau...

11. Fisiunea: divizarea nucleului conduce la degajarea unei energii uriaşe în mod necontrolat în bomba atomică în mod controlat în reactoarele nucleare

12. De ce avem nevoie de neutroni? Neutronii măresc forţa tare care menţine stabilitatea nucleului însă fără să crească forţa electromagnetică de repulsie care există numai între protoni

13. Forţa slabă • schimbă un tip de quark în altul • determină dezintegrarea beta • determină explozia supernovelor şi formarea tuturor elementelor chimice în afară de hidrogen şi heliu • intermediată de bosonii intermediari vectoriali W+,W -,Z 0

14. Forţa slabă este responsabilă de transformarea unui neutron într-un proton şi producerea unui electron şi antineutrino (dezintegrarea beta). 0

15. Particulele elementare Cărămizile Universului

16. Care particulă este mai elementară? • Există o particulă de materie indivizibilă? • Există mai multe particule elementare? • Depinde de nivelul ierarhic: • Casa – cărămizi, mortar, etc. • Chimie – atomi • Atomi – electroni şi nucleu • Nucleu - protoni şi neutroni • Nucleoni - quark-uri • Cum poţi ştii?

17. Istoria modernă a particulelor elementare 1897 – electron 1910 – nucleul (şi protonul) 1932 – neutronul şi pozitronul 1935 - miuon 1939 – pion 1950 - 1960 – barioni 1950 -1960 – mesoni 1959 – neutrino electronic 1962 – neutrino miuonic 1970 - 1980 – up, down, strange, charm, bottom quark; tau lepton 1983 - bosoni vectoriali intermediari W,Z 1995 – top quark 2001 - tau neutrino

18. Modele Lumi în alte lumi: particulele sunt infinit divizibile în alte particule mai elementare Indivizibil: există un nivel al materiei de la care nu mai este posibilă diviziunea Bootstrap: particulele sunt divizabile dar rezultă aceleaşi particule ca la nivelul ierarhic superior

19. Vânătoarea particulelor elementarePerioada romantică- Raze cosmice Proton de energie înaltă Vântul solar conţine protoni de energie înaltă care pătrund în atmosferă, generează pioni, care la rândul lor creează o ploaie de miuoni. Numărul de particule înregistrate era prea mic, de aceea s-a trecut la...

20. Acceleratori de particule Prin ciocnirea unor fluxuri intense de particule se creează altele noi. Fermilab

21. Antimateria • Prezisă de Dirac în 1928 în teoria sa care unifică mecanica cuantică cu relativitatea • Primul exemplu descoperit de Anderson în 1932 (pozitronul - echivalentul antimateriei electronului)

22. Particula şi antiparticula au sarcini electrice opuse, dar aceeaşi masă. Electronul este negativ, pozitronul este pozitiv. În câmp magnetic sunt deviaţi în direcţii opuse. • Crearea de perechi – E=mc2 crearea dintr-un foton a unei perechi electron-pozitron • Anihilarea unei perechi – rezultă energie pură care se transformă în doi fotoni

23. Prima fotografie care arată crearea unei perechi de particule, revelată prin urmele de ceaţă pe care le lasă în camera cu ceaţă. Cele două particule care se curbează diferit sub influenţa unui magnet au fost create prin anihilarea unui foton invizibil pe placa fotografică care vine de jos.

24. Neutrinii Neutronii sunt instabili: neutronii liberi au un timp de viaţă de 200 secunde. Este remarcabil că în nuclee neutronii sunt practic stabili. S-a observat că neutronii se dezintegrează în protoni şi electroni. Dar aceştia pleacă la unghiuri care contrazic legea de conservare a energiei şi impulsului. Pauli în 1932 a emis ipoteza neutrinilor care transportă o parte din energia şi impulsul suplimentar.

25. Proprietăţile neutrino-ului • masă de repaus foarte mică • se mişcă cu viteza luminii • fără sarcină electrică • interacţionează numai gravitaţional şi slab • poate străbate un perete de plumb cu grosimea de 1 an lumină fără a fi împrăştiat!!! • Proprietatea cea mai surprinzătoare: neutrinii ne pot indica care este dreapta, deoarece nu există neutrini levogiri (cu spinul învârtindu-se spre stânga)

26. Clasificarea particulelor elementare • Leptoni – nu interacţionează tare • Familia electronului şi miuonului: Electron, miuon, neutrino electronic, neutrino miuonic. • Hadroni – interacţionează prin forţa tare • Barioni – masă ca a protonului • Proton, neutron, omega, lambda, etc. • Mezoni – masă medie • Kaon, pion, etc. (K mezon,  mezon)

27. Anii 1950-1960: explozia de hadroni

28. Calea octuplă În 1964 Murray Gell-Mann, George Zweig şi Yuval Ne'eman propun o clasificare a hadronilor în familii de câte 8 particule, de aici numele de “Cale octuplă”. La baza sa stau 3 tipuri de quark-uri: up, down, strange. Barionii sunt formaţi din 3 quark-uri Mezonii sunt formaţi din 2 quark-uri

29. Calea octuplă budistă I. Vedere corectă II. Intenţii corecte III. Vorbire corectă IV. Acţiune corectă V. Viaţă corectă VI. Efort corect VII. Minte corectă VIII. Concentrare corectă Filosofia orientală era foarte populară printre teoreticienii particulelor elementare în acea perioadă.

30. Quark-urile sunt descoperite (sfârşitul anilor 1960) Când electronii sunt împrăştiaţi pe protoni s-a descoperit că aceştia sunt formaţi din particule punctuale, practic libere: quarkurile (premiul Nobel 1990 J.I.Friedman, H.W.Kendall, R.E.Taylor).

31. Leptoni Electron Neutrino electronic Miuon Neutrino miuonic Quark-uri Up Down Strange Particule elementare (1970) • Cuante de energie • foton

32. Particula W În 1962 erau cunoscute 7 particule cu spinul 3/2, şi în acelaşi an au fost descoperite xi-stea-minus şi xi-stea-zero (verde). Murray Gell-Mann a prezis proprietăţile particulei lipsă (albe) pe baza diagramei de mai sus folosind ipoteza quark-urilor. Doi ani mai târziu particula cu aceste proprietăţi, numită omega-minus, a fost descoperită.

33. Prima fotografie a particulei Omega-minus. Un kaon K- se ciocneşte de un proton din camera cu bule cu hidrogen lichid producând o particulă omega-minus, un kaon K+ şi un kaon K0. Particulele neutre nu lasă urme şi sunt notate cu linii întrerupte. Poziţiile particulelor neutre sunt deduse folosind legile de conservare energiei şi impulsului.

34. Structura nucleului

35. Structura hadronilor De ce au quark-urile culori diferite?

36. Confinarea quark-urilor De ce există numai tripleţi de quark-uri sau perechi quark-antiquark? Forţa care le ţine legate pe quark-uri este atât de tare încât la separarea lor se cheltuieşte atât de multă energie încât aceasta generează o nouă pereche quark-antiquark. Această forţă se numeşte de “culoare” şi este intermediată de gluoni (de la glue - clei).

37. Concepţia modernă despre proton include mai mult decât cele 3 quark-uri, numite quark-uri de valenţă, care determină sarcina sa electrică +1. Aceste 3 quark-uri determină doar 2% din masa protonului. Restul provine din “marea” de quark-uri virtuale şi gluoni virtuali care se creează din vidul fizic şi este descrisă de cromodinamica cuantică.

38. Modelul Standard Fiecare particulă are numere cuantice care o fac unică şi diferită de celelalte. Cele 4 forţe fundamentale sunt intermediate de 4 particule: -fotonul (electromagnetică) -gluonul (tare, de culoare) -bosonii W,Z (slabă) -gravitonul (gravitaţională)

39. Observaţi simetria: acelaşi număr de leptoni ca şi quark-uri. e u d ne Materie normală

40. e m u s d ? ne nm Simetria matematică a modelului ducea la ipoteza existenţei unui nou quark, quark-ul cu charm c, care a fost descoperit în 1975.

41. e m t u s ? d c ? ne nm nt Dar în 1976 a fost descoperit leptonul tau. De aici rezultă existenţa altor quark-uri top şi bottom. Bottom a fost descoperit în 1978, dar top s-a dovedit incredibil de masiv şi s-a lăsat aşteptat până în 1995.

42. e m t u s t d c b ne nm nt Ultimul a fost descoperit tau neutrinul în 2001. Lista completă (până în prezent) conţine 3 generaţii de particule

43. Oscilaţiile neutrinului Cele trei tipuri de neutrini se transformă unii în alţii, dar conform teoriei numai dacă au o masă de repaus nenulă.