Wstęp do fizyki cząstek elementarnych

1. Wstęp do fizyki cząstek elementarnych Ewa Rondio

2. cząstki elementarne • krótka historia • pierwsze cząstki • próby klasyfikacji • troche o liczbach kwantowych • kolor • uwięzienie kwarków • obecny stan wiedzy • oddziaływania • składniki Modelu Standartowego

4. 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. badanie cząstek  zderzenia Rys F. Żarnecki

5. rozpraszanie Rutherforda hipotez jądra atomowego  stad już blisko do protonu, potem neutron ...

6. pierwszy etapfoton, elektorn, jądro atomu • – potem jego składniki: proton i neutron • potem cząstki obsewowane w promieniowaniu kosmicznym • przyspieszanie cząstek i produkcja nowych

8. produkcja nowych cząstek w zderzeniach • cząstki naładowane można przyspieszac, kierować ich ruchem i zderzać z “tarczą” • najlepsze pociski to protony lub elektrony (sa naładowane i trwałe, mozna je łatwo zbierac i przyspieszać) • obserwujemy co powstaje • w miarę wzrostu dostępnych energii można produkować coraz cięższe cząstki

9. Zderzenie dwóch obiektów o dużej energii • Powstaje wiele obiektów , niektóre zupełnie inne niż te które się zderzyły

10. pojawiają się coraz to nowe cząstki LHC

11. coraz więcej “cząstek elementarych”... cząstki o spinie całkowitym MEZONY cząstki o spinie połówkowym  BARIONY potrzeba uporzadkowania,  może te cząstki mają bardziej elementarne składniki ????

12. propozycja Gel-Manna:

13. wszystkie znane wówczas sząstki • można “poskładać” z 3 cegiełek • o dość dziwnych własnościach • między innymi ich ładumek musi być • ułamkowy (1/3 i 2/3) q=-1/3 q=+2/3 np. proton =uud q=-1/3 u d s

14. hipoteza wydawała się dziwna, ale wprowadzała porządek i miała bardzo ciekawe własności symetrii mezony (spin 0,1..) składają się z pary kwark- anty kwark bariony (spin ½, 3/2...) składają się z trzech kwarków wszystkie cząstki dało się wpisac w takie rodziny (8, 12..), ale nie wszystkie miejsca były pełne

15. taki model pozwala opisac zachowanie cząstek i wyjaśnić niektóre ich własności przykład: taki rozpad możliwy jeśli “wystarczy energii” po sprawdzeniu mas wiemy, że nie wystarczy dlatego kwarki s musza “zniknać” to wydłuża proces

16. jak budujemy, tesujemy hipotezy czy dla każdej cząskti znajdujemy miejsce czy ten opis nie łamie zadnych podstawowych praw? tu okazało się, że jest problem: istniała cząskta • jej “zbudowanie” wymaga 3 kwarków takich samych (u) • równolegle ustawionych spinach (spin cząstki jest 3/2) • to jest sprzeczne z zakazem Pauliego • (2 fermiony nie moga sie znajdować w tym samym stanie) •  trzeba wprowadzic liczbe kwantową którą będą sie różnić !!!!

17. aby cząskta mogła istnić kwark u musi występować w trzech “wersjach” przez analogie do optyki dla liczby kwantowej rozróżniającej te 3 wersje przyjęto nazwę KOLOR kwarki występują w 3 kolorach obserwowane cząstki  bariony i mezony nie niosą liczby kwantowej koloru  są BIAŁE takie wyjaśnienie uratowało model, a przy okazji dostarczyło argumentu dlaczegow naturze obserwujemy tylko “trojki krarków” i pary kwark-antykwark obserwowane cząskti “są białe” jak to wyjaśnić???

18. kwark ma kolor, oddiaływania między kwarkami to oddziaływania obiektów kolorowych mezon kwark- antykwark biały jesli odsuwamy kwarki  naciąga sie miedzy nimi struna kolorowa im dłuższa struna tym większą ma energię barion = 3 kwarki biały przy pewnej odległości energia struny bardzo duża  może się zamienic na masę nowej pary kwark-antykwark  teraz mamy stare i nowe kwarki, które mogą tak się zgrupować aby powstały 2 białe cząstki

20. czy inne obserwacje potwierdzają model kwarków i istnienie koloru? • dopuszczenie cząstek składających sie z 3 kwarków różniacych sie tylko kolorem pozwala opisać cząstke i dla 3 rodzajów kwarków należy się też spodziewać cząstki zbudowanye z sss gdy wprowadzano kwarki takiej cząstki nie znano jej masa została przewidziana na podstawie modelu i w krótkim czsie ją znaleziono jest to cząstka  jej obserwacja bardzo wzmocniła model kwarków

21. mezon kwark-antykwark biały barion = 3 kwarki biały bariony i mezony uczestniczą w oddziaływaniach silnych = hadrony dalsze badania wykazały, że jest jeszcze czwarty kwark, potem odkryto jeszcze 2 tak wiec mamy 6 kwarków tworzacych 3 pary : ładunek -1/3 i ładunek 2/3 każdy kwark występuje w 3 kolorach z takiego zestawu kwarków można zbudować wszystkie znane dziś HADRONY

22. dołożenie czwartego kwarka powoduje, że dotychczasowe rodziny cząstek poszerzają się (nowa oś  c )

23. czy to wszystkie “cząstki elementarne” ?? • wiemy, że NIE  elektron nie jest hadronem, nie składa się z kwarków

24. LEPTONY – cząstki, które nie biorą udziału w oddziaływaniach silnych (biorą w słabych i jeśli mają ładunek to w elektro-magnetycznych) pierwszy odkryty lepton  elektron teraz wiemy, że leptonów jest 6, tworzą pary: naładowany – neutralny (neutrino) o nich będzie poźniej

25. czy teraz juz may wszystkie składniki? • wiemy, że nie, bo w naszej klasyfikacji nie maFOTONU • to nośnik pola (elektro-magnetycznego) • cząstki komunikiją się przez wymianę • cząstki przenoszącej oddzalywanie • prezentacja • graficzna: Diagramy Feynmana

26. oddziaływanie to wymiana “nośnika” = kwantu pola

27. potwierdzenie istnienia kolorupomiar stosunku przekrojów czynnych w oddziaływaniu e+e-

30. 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

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