Wstęp do fizyki cząstek elementarnych

1. Wstęp do fizykicząstekelementarnych Ewa Rondio CERN, 22 września 2009

2. cząstkielementarne • krótkahistoria • pierwszecząstki • próbyklasyfikacji • jakskladachadronyzkwarków • kolor • uwięzieniekwarków • oddziaływania • jeszczerazkolor • składnikiModeluStandardowego

3. Krótka historia 1905 – A. Einstein wyjaśnił obserwowany efekt fotoelektryczny postulując, że światło jest strumieniem kwantów energii fotony 1923 – Compton badał rozpraszanie fotonów na elektronach Fotony niosą nie tylko energię, ale i pęd - jak cząstki. badaniecząstek zderzenia Rys F. Żarnecki

4. rozpraszanieRutherforda hipotezjądraatomowego stadjużblisko do protonu, potem neutron ...

5. pierwszyetap–znanecząstki:foton, elektorn, jądroatomu • – potemskładnikijądra: proton i neutron • potemkolejnecząstkiobsewowanewpromieniowaniukosmicznym • przyspieszaniecząstekiprodukcjanowych

6. produkcjanowychcząstekwzderzeniach • cząstkinaładowanemożnaprzyspieszac, kierowaćichruchemizderzaćz “tarczą” • najlepszepociskito protonylubelektrony (sanaładowaneitrwałe, więcmożna je łatwozbierać iprzyspieszać) • obserwujemywszystko co powstaje(oddziaływaniazprodukcjącząstek) • wmiaręwzrostudostępnychenergiimożnaprodukowaćcorazcięższecząstki • większośćcząstek jest nietrwała, żyjąjakiśczas, potemcząstkazamieniasięnakilkainnych (lżejszych) (rozpadycząstek)

7. Zderzenie dwóch obiektówo dużej energii • Powstaje wiele obiektów, niektóre zupełnie inne niż te które się zderzyły masacząstekpowstaje kosztemenergii pocisków

8. cząstkionowychwłasnościachbyłyobserwowanew: kaskadachprodukowanychprzezpromieniekosmiczne • akceleratorachprzyspieszających • do corazwyższychenergii

9. pojawiająsięcoraz to nowecząstki LHC

10. corazwięcej “cząstekelementarych”... cząstkiospiniecałkowitymMEZONY cząstkiospiniepołówkowym BARIONY potrzebauporzadkowania, możetecząstkimająbardziejelementarneskładniki ????

11. propozycja Gel-Manna:

12. wszystkieznanewówczassząstki • można “poskładać” z 3 cegiełek • odośćdziwnychwłasnościach • międzyinnymiichładunkimusząbyć • ułamkowe (-/+1/3 i +/-2/3) q=-1/3 q=+2/3 np. proton =uud q=-1/3 u d s

13. jak “składać” cząstkizkwarków? • to bardzoproste: musimywiedzieć • czycząstka jest mezonemczybarionem • bo to nammówiczybędziesięskladałazpary: kwark-antykwark (mezon) • czyztrzechkwarków (barion) • jaki maładunek • czy ma jakąśdodatkową (takzwanąaddytywnąliczbękwantową) • dziwnośćlubpowab (s,c), albopiękonśćlubprawdziwość(b,t) • to napowieczymusimy “dołożyć” któryśzkwarkówzdrugiejlub • trzeciejrodzinyijużmożnazaczynać ładunek +1 u q dziwność=0 czylibędątylko kwarkiuid mezon _ d _ q kwark +2/3 antykwark –(-1/3) s a jakbędzie u dziwność = 1 więcmusibyć anty-kwarks mezon pierwszaczęść – taksamo _ _ u ładunek -1 s=-1 s

14. a jak to będziedlabarionów? barion = 3 kwarkimożnapamętaćżeliczbabarionówmusibyćzachowana barion ma liczbębarionową = 1, a kwark 1/3 q q q u u 2/3 2/3 -1/3 jakzbudować proton? tylkokwarkiuid, łądunek +1 d d a jak neutron??? u 2/3 -1/3 -1/3 d

15. hipotezawydawałasiędziwna, ale wprowadzałaporządekimiałabardzociekawewłasnościsymetrii mezony(spin 0,1..) składająsię zparykwark- antykwark bariony(spin ½, 3/2...) składająsię ztrzechkwarków wszystkiecząstkidałosięwpisacwtakierodziny (8, 12..), ale niewszystkiemiejscabyłypełne

16. jakbudujemy, tesujemyhipotezy czydlakażdejcząsktiznajdujemymiejsce czy ten opisniełamiezadnychpodstawowychpraw? tuokazałosię, że jest problem: istniałacząskta jej “zbudowanie” wymaga 3 kwarkówtakichsamych (u) otaksamoustawionych spinach ale .... to jest sprzecznezzakazemPauliego 2 fermiony (cząstkiospinie ½) niemogasieznajdowaćwtymsamymstanie trzebawprowadzicliczbekwantowąktórąbędąsieróżnić !!!!

17. abycząsktamogłaistniećkwarkumusiwystępowaćwtrzech “wersjach” przezanalogie do optykidlaliczbykwantowej rozróżniającejte 3 wersjeprzyjętonazwę KOLOR kwarkiwystępująw 3 kolorach obserwowanecząstkibarionyimezony nieniosąliczbykwantowejkolorusą BIAŁE takiewyjaśnienieuratowało model, a przyokazjidostarczyłoargumentu dlaczegownaturzeobserwujemytylko “trojkikrarków” iparykwark-antykwark obserwowanecząskti “sąbiałe” kwarkisą “uwięzione” jak to wyjaśnić???

18. kwark ma kolor, oddiaływaniamiędzykwarkami to oddziaływaniaobiektówkolorowych mezon kwark- antykwark biały jesliodsuwamykwarkinaciągasie miedzynimistrunakolorowa imdłuższastrunatymwiększą ma energię barion = 3 kwarki biały przypewnejodległościenergiastruny jest bardzoduża możesięzamienićwmasęnowejparykwark-antykwark terazmamy stare inowekwarki, któremogątaksięzgrupować abypowstały 2 “białe” cząstki: barionimezon

19. mamy do czynieniazmieszankąwszystkichkombinacjikolorów

20. czyinneobserwacjepotwierdzająmodel kwarkówiistnieniekoloru? • dopuszczeniecząstekskładającychsiez 3 kwarkówróżniacychsietylkokolorempozwalaopisaćcząstki i dla 3 rodzajówkwarkównależysięteżspodziewaćcząstkizbudowanyezsss gdywprowadzanokwarkitakiejcząstkinieznano jejmasazostałaprzewidziananapodstawiemodelu iwkrótkimczasiejąznaleziono jest to cząstka jejobserwacjabardzowzmocniła model kwarków

21. mezon kwark-antykwark biały barion = 3 kwarki biały barionyimezonyuczestnicząwoddziaływaniachsilnych = hadrony dalszebadaniawykazały, że jest jeszczeczwartykwark, potemodkrytojeszcze 2 takwiecmamy 6 kwarkówtworzacych 3 pary : ładunek -1/3 iładunek 2/3 każdykwarkwystępujew 3 kolorach ztakiegozestawukwarkówmożnazbudować wszystkieznanedziś HADRONY

22. dołożenieczwartego kwarkapowoduje, że dotychczasowerodziny cząstekposzerzająsię (nowaośc)

23. czy to wszystkie “cząstkielementarne” ?? • wiemy, że NIE elektronnie jest hadronem, nieskładasięzkwarków

24. LEPTONY – cząstki, któreniebiorąudziałuwoddziaływaniachsilnych (biorąwsłabychijeślimająładunek to welektro-magnetycznych) pierwszyodkryty lepton elektron terazwiemy, żeleptonów jest 6, tworząpary: naładowany – neutralny (neutrino) onichbędziepoźniej

25. czyterazjużmamywszystkieskładniki? • wiemy, żenie, wnaszejklasyfikacjinie maFOTONU • to nośnikpola (elektro-magnetycznego) • cząstkikomunikijąsięprzezwymianę • cząstkiprzenoszącejoddzalywanie • prezentacja • graficzna: Diagramy Feynmana

26. oddziaływanie to wymiana “nośnika” = kwantupola

27. reakcjezachodzące pod wpływemoddziaływańsilnych rozpadrezonansu (cząstkibardzokrótkożyjącej) procespodstawowy: kwarkuemitujegluon którytworzy pare dd _ cząstkąprzenoszącą oddziaływanie jest GLUON

28. czytakieprocesyzawszesąmożliwe?trzebajeszczesprawdzićczysądopuszczoneprzezzasadezachowanieenergiiipęduczytakieprocesyzawszesąmożliwe?trzebajeszczesprawdzićczysądopuszczoneprzezzasadezachowanieenergiiipędu gluon jest nośnikiem oddziaływania _ _ widzimy, żerozpad jest możliwy, ale zostaje bardzomałoenergiinapędkaonówwukładzie środkamasy. O takichprocesachmówimy, że sątłumioneprzezmałąprzestrzeńfazową. czasżyciabędzieniecowiększy

29. innyprzykład: ten rozpad jest niemożliwy masa 1.869 GeV sumamas 3.738 GeV masa 3.0969 GeV ponieważniewystarczaenergiinarozpadnacząstkizkwarkiempowabnym (c) tekwarkimusząanihilowaćizpowstałejenergiipojawiąsięinne, lżejszekwarki u _ c d _ _ c d u

30. reakcjemiędzycząstkamiteżopiszemyteraznapoziomieoddziaływańkwarkównośnikamisąGLUONYreakcjemiędzycząstkamiteżopiszemyteraznapoziomieoddziaływańkwarkównośnikamisąGLUONY _ _ u u d u u d d d u u d _ _ u u u _ d d u d d d u u

31. oddziaływanieelektro-magnetyczne e+ e e- proton hadrony sprzężenie jest proporcjonlne do ładunku elektrycznego rozpraszanieelektronunaobiekcie złożonym - protonie oddziaływanieobiektówpunktowych anihilacjaelektronuipozytonu produkcjaparynp. mionów Foton – masa =0, zasięgoddziaływanianieskończony

32. oddziaływaniasłabe(przenoszoneprzeznaładowanebozonymasywne ) masanośnika ok 80 GeV skończony, krótkizasięg (słabe) S C u W+ _ u albo: _ d _ zmieniajązapachkwarku u wprowadzająleptony do procesówrozpadu albo

33. oddziaływaniasłabeprzenoszoneprzezbozon Z0 e+ Z0 e- wtychprocesachmożeteżbyć wymienianyfoton (oddziaływanie elektromagnetyczne) Te dwiemożlwościniemogąbyć rozróżnione – interferencja Dlamałychenergiiwymianafotonu dominuje powstająwszystkiemożliwepary któredająładunek zero izachowują addytywneliczbykwantowe: czyli

34. potwierdzenieistnieniakolorupomiarstosunkuprzekrojówczynnychwoddziaływaniue+e-potwierdzenieistnieniakolorupomiarstosunkuprzekrojówczynnychwoddziaływaniue+e- liczymyile jest kombinacji kwark- antykwark wporównaniu do mionów, gdziewiemyze jest jedna (nie ma koloru) dlamałychenergii – tylko fotonczylisprzężenie jest proporcjonalne do ładunku jeślikażdykwarkliczysię raz to oczekujemy 15/9

35. mierzymy 3 razywiecej KOLOR 15/9

36. Model Standardowy – opis cząstek i ich oddziaływań e u u u d d d c c c s s s t t t b b b To są wszystkie (obecnie znane) cząstki elementarne Podlegają tym samym UNIWERSALNYM prawom fizyki D. Kiełczewska, wykład 1

37. Generacja I Generacja II Generacja III Leptony Kwarki gluony Bosony pośredniczące Model Standardowy w kolorach D. Kiełczewska, wykład 1