V ýlet do femtosveta alebo Z čoho sa skladá hmota?

1. Výlet do femtosvetaaleboZ čoho sa skladá hmota? Štefan Olejník Fyzikálny ústav SAV Bratislava Turnaj mladých fyzikov

2. Odveká túžba po poznaní: Empedokles (5. stor. p.n.l.): zem, vzduch, oheň, voda, Leukippos, Demokritos (5.–4. stor. p.n.l.): hypotéza o atómoch. Súčasť ľudskej kultúry. Dozvedáme sa o raných štádiách vesmíru. Prirodzená zvedavosť. Poznanie vlastností hmoty nám umožňuje ich využívať: pre dobré i zlé ciele. Objavy mimoriadneho ekonomic-kého a praktického významu. Technický pokrok a stimulácia priemyselného rozvoja: experi-menty si vyžadujú špičkové technológie, prístroje, počítače. Nečakané produkty: WWW. Prečo sa snažíme spoznať, z čoho sa skladá hmota? Turnaj mladých fyzikov

3. Turnaj mladých fyzikov

4. Grécki atomisti: predstava o atómoch ako nedeliteľných stavebných kameňoch hmoty. Objav jadra Ernestom Rutherfordom v roku 1911 Objav protónu (E. Rutherford, 1919) a neutrónu (J. Chadwick, 1932) Objav elektrónu (Thomson,1897) Predstava o kvarkoch (Gell-Mann, Zweig, 1964) a jej exp. potvrdenie (SLAC, 1969) Turnaj mladých fyzikov

5. Dĺžkové škály atómové, jadrové a subjadrové Turnaj mladých fyzikov

6. Svet našej každodennej skúsenosti: sa riadi zákonmi klasickej fyziky – Newtonovými zákonmi a Maxwellovou teóriu elektro-magnetizmu, je nerelativistický – rýchlosti telies sú zanedbateľné voči rýchlosti svetla, jednotky v sústave SI majú prirodzenú veľkosť. Femtosvet: je kvantový, riadi sa zákonmi kvantovej mechaniky, viaceré veličiny sú kvantované, jerelativistický, urýchlené elementárne častice sa pohybujú rýchlosťami blízkymi k rýchlosti svetla, jednotky v sústave SI súpreň nevhodné / nepraktické. Svet okolo nás vs. femtosvet Turnaj mladých fyzikov

7. Jednotky Turnaj mladých fyzikov

8. Moment hybnosti: Jednotkou momentu hybnosti je J.s. Spin je vnútorný moment hyb-nosti častíc. Nemá klasické vysvetlenie! Vhodnou jednotkou je ~ =1.055 £ 10-34 J.s . Spin je kvantovaný a môže sa rovnať iba celo- (0, 1, 2, ...) a poločíselným (1/2, 3/2, 5/2, ...) násobkom ~. Celočíselný spin majú bozóny. Poločíselný spin majú fermióny. Spin Turnaj mladých fyzikov

9. Ktorá minca je ťažšia? B C A Turnaj mladých fyzikov

10. Experimenty vo fyzike častíc: Rozptyl Turnaj mladých fyzikov

11. Experimenty vo fyzike častíc: Nepružné zrážky a anihilácia Turnaj mladých fyzikov

12. Čo potrebujeme na skúmanie vlastností častíc? • urýchľovač, • terčík, • detektory, • teória (predstava, s ktorou porovnávame výsledok experimentu). Turnaj mladých fyzikov

13. Do 60. rokov 20. storočia: „fundamentálne“ častice utešene pribúdajú... Od 60. rokov 20. storočia: poriadok víťazí nad chaosom. Trocha histórie Turnaj mladých fyzikov

14. „Mendelejevova“ tabuľka elementárnych častíc Turnaj mladých fyzikov

15. Základné sily (interakcie) medzi časticami • Gravitačná interakcia: Pôsobí na všetky hmotné telesá, vo svete elementárnych častíc pri súčasných energiách nehrá dôležitú úlohu. • Elektromagnetická interakcia: V atómovej fyzike určuje vlastnosti elektrónového obalu atómov, viaže atómy do molekúl, závisia od nej vlastnosti tuhých látok, kvapalín a plynov. • Silná interakcia: Viaže k sebe neutróny a protóny v jadre, prekonáva elektromagnetické odpudzovanie medzi protónmi. Jadrová silná interakcia je dôsledkom interakcií medzi kvarkami. • Slabá interakcia: Zodpovedá za rádioaktívne tzv. -rozpady jadier, zapríčiňuje rozpad neutrónu, ako aj niektorých ťažkých kvarkov. Zohráva dôležitú úlohu aj v jadrových reakciách vo vnútri hviezd (napr. aj Slnka). Turnaj mladých fyzikov

16. Nestačia nám tri častice? ? e p n p e Turnaj mladých fyzikov

17. Dnešný zoznam stavebných blokov hmoty Turnaj mladých fyzikov

18. Turnaj mladých fyzikov

19. A čo ich interakcie? Turnaj mladých fyzikov

20. Prenášače interakcií Turnaj mladých fyzikov

21. Veľké nezodpovedané záhady fyziky častíc • Kde je Higgsov bozón? (Higgsov bozón, novinármi ospevovaná „božská častica“, je posledným chýbajúcim článkom dnešnej teórie; má mať spin 0 a je zdrojom hmotností fundamentálnych častíc.) • Prečo existujú práve tri generácie leptónov a kvarkov? • Odkiaľ sa berú také rôzne hmotnosti častíc? • Sú všetky interakcie prejavom tej istej sily, je možné vymyslieť jednotnú „teóriu všetkého“? • Existuje v prírode supersymetria (ktorá každému fermiónu priraďuje bozón s podobnými vlastnosťami a naopak)? • Sú všetky častice iba excitácie superstrún? • Prečo sa náš vesmír skladá prevažne z hmoty, kam sa podela antihmota? • Aká bola úloha neutrín vo vývoji vesmíru? • Je náš časopriestor naozaj štvorrozmerný alebo existujú „skryté“ dimenzie? • Čo je tmavá hmota vo vesmíre a odkiaľ sa berie tmavá energia? Turnaj mladých fyzikov

22. LHC – najväčší experimentálny komplex na svete Turnaj mladých fyzikov

23. LHC – najväčší experimentálny komplex na svete Turnaj mladých fyzikov

24. LHC – najväčší experimentálny komplex na svete Turnaj mladých fyzikov

25. LHC – najväčší experimentálny komplex na svete Turnaj mladých fyzikov

26. Čo by ste si mohli skúsiť zapamätať? • Svet elementárnych častíc (femtosvet) je kvantový a relativistický. • Ak nechceme písať veľa núl, musíme si zvyknúť na iné jednotky. • V experimentoch sa častice prevažne zrážajú a pritom vznikajú nové; energia sa premieňa na hmotu a naopak. • V prírode existujú štyri základné sily. • Základné stavebné častice hmoty sú fermióny a existujú 3 ich generácie; každá generácia obsahuje po 2 leptóny a 2 kvarky. • Interakcie medzi časticami sprostredkujú bozóny. • Aj keď javom vo fyzike elementárnych častíc pomerne dobre rozumieme, ostáva veľa nezodpovedaných fundamentálnych otázok. • Časticová fyzika sa uvedením LHC do prevádzky dostáva na prah fascinujúceho nového obdobia – nové objavy sú za dverami! • Pre niekoho z vás je možno rezervované miesto na tabuli slávy. Turnaj mladých fyzikov

27. 20?? - ??? 2008 - Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi, Toshihide Maskawa 2004 - David J. Gross, H. David Politzer, Frank Wilczek 1999 - Gerardus 't Hooft, Martinus J.G. Veltman 1995 - Martin L. Perl, Frederick Reines 1992 - Georges Charpak 1988 - Leon M. Lederman, Melvin Schwartz, Jack Steinberger 1984 - Carlo Rubbia, Simon van der Meer 1982 - Kenneth G. Wilson 1980 - James Cronin, Val Fitch 1979 - Sheldon Glashow, Abdus Salam, Steven Weinberg 1976 - Burton Richter, Samuel C.C. Ting 1969 - Murray Gell-Mann 1968 - Luis Alvarez 1965 - Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger, Richard P. Feynman 1963 - Eugene Wigner 1961 - Robert Hofstadter 1960 - Donald A. Glaser 1959 - Emilio Segrè, Owen Chamberlain 1957 - Chen Ning Yang, Tsung-Dao Lee 1955 - Willis E. Lamb, Polykarp Kusch 1951 - John Cockcroft, Ernest T.S. Walton 1950 - Cecil Powell 1949 - Hideki Yukawa 1948 - Patrick M.S. Blackett 1945 - Wolfgang Pauli 1943 - Otto Stern 1939 - Ernest Lawrence 1936 - Victor F. Hess, Carl D. Anderson 1935 - James Chadwick 1933 - Erwin Schrödinger, Paul A.M. Dirac 1932 - Werner Heisenberg 1929 - Louis de Broglie 1927 - Arthur H. Compton, C.T.R. Wilson 1923 - Robert A. Millikan 1922 - Niels Bohr 1921 - Albert Einstein 1918 - Max Planck Tabuľa slávy – Nobelove ceny súvisiace s časticami Turnaj mladých fyzikov

28. Ďakujem za pozornosť a trpezlivosť! V prednáške boli použité obrázky z webovských stránok niektorých laboratórií (CERN, DESY, atď.) a z popularizačných vystúpení viacerých autorov o fyzike elementárnych častíc (napr. dr. J. Dolejšího z MFF UK a dr. J. Rameša z FzÚ AV ČR v Prahe). Všetkým – i anonymným – autorom patrí moja vďaka. Text prednášky je možné nájsť na webe: http://dcps.sav.sk/olejnik/seminars/s271010.ppsx. Turnaj mladých fyzikov

29. Za podporu vďačím Vedeckej grantovej agentúre MŠ SR a SAV (projekt VEGA č. 2/0070/09), Európskemu fondu regionálneho rozvojav rámci Operačného programu Veda a výskum (projekt CE QUTE ITMS č. 26240120009) a v rámci Centra excelentnosti SAV QUTE. Turnajmladýchfyzikov