LEGO  sveta, v ktorom žijeme

1. LEGO sveta, v ktorom žijeme Štefan Olejník, Fyzikálny ústav SAV, Bratislava Hyde Park Slovenskej sporiteľne

2. Odpovede pravdivé 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. Svet poznaný je svet bezpečnejší. Neoddeliteľná súčasť kultúry. Dozvedáme sa o raných štádiách vesmíru. Prirodzená zvedavosť. Odpovede pre ministra financií Poznanie vlastností hmoty nám umož-ňuje ich využívať: pre užitočné a, žiaľ, aj deštruktívne ciele. Objavy ekonomického a praktického významu. Stimulácia priemyselného rozvoja a technického pokroku: experimenty si vyžadujú špičkové technológie, prístroje, počítače. Vedľajší produkt, čo zmenil svet: WWW. Prečo sa snažíme spoznať, z čoho sa skladá hmota? Hyde Park Slovenskej sporiteľne

3. Hyde Park Slovenskej sporiteľne

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) Hyde Park Slovenskej sporiteľne

5. Dĺžkové škály atómové, jadrové a subjadrové Hyde Park Slovenskej sporiteľne

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 Hyde Park Slovenskej sporiteľne

7. Jednotky Hyde Park Slovenskej sporiteľne

8. Rôzne škály v eV 10 TeV Energia zrážky v LHC 1 TeV = 1000 GeV Energia letiaceho komára 100 GeV Hmotnosť Higgsovho bozónu 10 GeV Hmotnosť protónu 1 GeV = 1000 MeV 100 MeV Hmotnosť miónu 10 MeV Hmotnosť up kvarku Hmotnosť elektrónu 1 MeV = 1000 keV 100 keV 10 keV 1 keV = 1000 eV Teplota vo vnútri Slnka 100 eV Fotóny ultrafial. svetla 10 eV 1 eV Fotóny viditeľného svetla 1/10 eV 1/100 eV Izbová teplota 1 meV = 1/1000 eV Hyde Park Slovenskej sporiteľne Teplota LHC magnetu 1/10 meV

9. 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 sarovnať iba celo- (0, 1, 2, ...) a poločíselným (1/2, 3/2, 5/2, ...) násobkom ~. Celočíselný spin majú bozóny. Poločíselný spin majú fermióny. Spin Hyde Park Slovenskej sporiteľne

10. Ktorá minca je ťažšia? B C A Hyde Park Slovenskej sporiteľne

11. Experimenty vo fyzike častíc: Rozptyl Hyde Park Slovenskej sporiteľne

12. Experimenty vo fyzike častíc: Nepružné zrážky a anihilácia Hyde Park Slovenskej sporiteľne

13. Čo potrebujeme na skúmanie vlastností častíc? • urýchľovač, • terčík, • detektory, • teória (predstava, s ktorou porovnávame výsledok experimentu). Hyde Park Slovenskej sporiteľne

14. Do 60. rokov 20. storočia: „fundamentálne“ častice utešene pribúdajú... Od 60. rokov 20. storočia: poriadok víťazí nad chaosom. Ešte trocha histórie Hyde Park Slovenskej sporiteľne

15. ŠTANDARDNÝ MODEL Hyde Park Slovenskej sporiteľne

16. + HIGGSŮV BOSON Hyde Park Slovenskej sporiteľne

17. Nestačia nám tri častice? ? e p n p e Hyde Park Slovenskej sporiteľne

18. Dnešný zoznam stavebných blokov hmoty Hyde Park Slovenskej sporiteľne

19. Hyde Park Slovenskej sporiteľne

20. 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). Hyde Park Slovenskej sporiteľne

21. fotón Hyde Park Slovenskej sporiteľne

22. Prenášače interakcií Hyde Park Slovenskej sporiteľne

23. 0, 1, 2 nie Spin? BOZÓNY Nulové vo vákuu? HIGGSOV BOZÓN áno ½ Aké sily prenášajú? KALIBRAČNÉ BOZÓNY Elektrický náboj? slabé ±1 0 silné elektromagn. gravitačné gravitón(?) W-bozón Z-bozón gluóny fotón FERMIÓNY Interagujú silno? BLOKOVÝ DIAGRAM ŠTANDARDNÉHO MODELU áno nie Elektrický náboj? Elektrický náboj? KVARKY LEPTÓNY 2/3 -1/3 -1 0 kvarky typu „u“ kvarky typu „d“ nabité leptóny neutrína down e-neutríno up elektrón ... 1. generácia ... ... 1. generácia ... charm mión strange μ-neutríno ... 2. generácia ... ... 2. generácia ... top tauón bottom τ-neutríno ... 3. generácia ... ... 3. generácia ...

24. l q INTERAKCIE V ŠTANDARDNOM MODELI W Z g γ H Hyde Park Slovenskej sporiteľne

25. l q INTERAKCIE V ŠTANDARDNOM MODELI W Z g γ H Hyde Park Slovenskej sporiteľne

26. NOBELOVE CENY Hyde Park Slovenskej sporiteľne

27. Nobelove ceny súvisiace so štandardným modelom Hyde Park Slovenskej sporiteľne

28. Nobelova cenavofyzike2013 Nobelovacenavofyzike 2013 bola udelená spoločne Françoisovi Englertovi a Peterovi W. Higgsovi „zateoretický objav mechanizmu, ktorý prispieva k nášmu chápaniu pôvodu hmotností subatomár-nych častíc a ktorý bol nedávno potvrdený objavom predpovedanej fundamentálnej častice experimentami ATLAS a CMS na Veľkom hadrónovom zrážači v CERNe“ Hyde Park Slovenskej sporiteľne

29. Hyde Park Slovenskej sporiteľne

30. Symetrie v prírode Hyde Park Slovenskej sporiteľne

31. Hyde Park Slovenskej sporiteľne

32. Hyde Park Slovenskej sporiteľne

33. Narušenie symetrií • Explicitné: Hlavná časť fyzikálneho zákona, ktorým sa systém riadi, má určitú symetriu, ale nejaká menšia časť túto symetriu porušuje. • Spontánne: Fyzikálny zákon symetriu má, ale stavy systému nie sú symetrické. Hyde Park Slovenskej sporiteľne

34. Trošku z histórie slabých interakcií • Interakcia má veľmi krátky dosah. • Problém: Výpočty vedú k rozumným výsledkom iba v najnižšom priblížení, kvantové opravy sú nekonečne veľké. Teória nie je matematicky prijateľná. • Hmotnosť intermediárneho bozónu musí byť veľmi veľká, lebo dosah interakcie je nepriamo úmerný hmotnosti. Vtedy sa však opäť vynorí predchádzajúci problém nekonečných výrazov. • Možné riešenie (?): bozón by mal mať nulovú hmotnosť, ako v prípade fotónu v elektrodynamike; ale ako sa dá vtedy ale zabezpečiť krátky dosah? Fermihoteória Hypotéza o intermediárnombozóne Hyde Park Slovenskej sporiteľne

35. "... keď je tvojadcératakámúdra, nechprídezajtrakumne, ale nech to nie je vodneani v noci, anipeši, aninavoze a nechnie je anioblečená, aninahá." (Múdrapastierka, slovenskáľudovározprávka) Hyde Park Slovenskej sporiteľne

36. Hyde Park Slovenskej sporiteľne

37. Hyde Park Slovenskej sporiteľne

38. Higgsovo pole a Higgsova častica • V kvantovej teórii je každá častica spojená s poľom, častice sú excitácie na hladine polí – opisuje ich kvantová teória polí. • Polia častíc (azda s výnimkou gluónových polí, ale to je téma na inú prednášku) sú vo vákuu nulové. • Polia všetkých fundamentálnych častíc (s výnimkou gluónov a fotónov) interagujú s Higgsovým poľom. • Higgsovo pole vo vákuu nie je nulové, ale má konečnú hodnotu. Celý Vesmír je vyplnený Higgsovým poľom. • Pozorovaná Higgsova častica je excitáciou Higgsovho poľa. Hyde Park Slovenskej sporiteľne

39. hodnota poľa Higgsova častica Higgsovo pole iné polia (elektromagnetické, gluónové, kvarkové, leptónové, atď.) poloha v priestore Hyde Park Slovenskej sporiteľne

40. Dve tváre (elektroslabého sektora) štandardného modelu • Pred výberom „súradníc“ pre Higgsovo pole • 4 polia A1, A2, A3, B s nulovou hmot-nosťou a spinom 1, každé s dvoma fyzikálnymi stavmi. • 4 higgsovské polia (so spinom 0). 4 x 2 + 4 = 12 • V takejto forme teórie možno dokázať matematickú konzistentnosť. • Po výbere „súradníc“ pre Higgsovo pole • 1 fotónové pole s nulovou hmotnosťou, s dvoma fyzikálnymi stavmi. • 2 polia nabitých W+ a W- bozónov s nenulovou hmotnosťou, každé s tromifyzikálnymi stavmi. • 1 pole Z0 bozónu s nenulovou hmotnosťou, s tromifyzikálnymi stavmi. • 1 Higgsovo pole s nenulovou hmotnosťou. 1 x 2 + 2 x 3 + 1 x 3 + 1 = 12 • V tomto obraze má teória fyzikálny obsah, ako je pozorovaný v prírode. Obe formy/tváre teórie sú úplne ekvivalentné. Hyde Park Slovenskej sporiteľne

41. Hmotnosti fundamentálnych častíc • Škálu hmotností definuje hodnota Higgsovho poľa vo vákuu: • Hmotnosti W a Z bozónov sa dajú vypočítať (preto experimentátori vedeli, kde ich hľadať): • Hmotnosti nabitých leptónov a kvarkovsú úmerné v, ale konštantu úmernosti ŠM nepredpovedá: • Hmotnosť Higgsovho bozónu sa nedá v modeli vypočítať, preto trvalo tak dlho, kým bol objavený. Hyde Park Slovenskej sporiteľne

42. LHC – najväčší experimentálny komplex na svete Hyde Park Slovenskej sporiteľne

43. Hyde Park Slovenskej sporiteľne

44. Hyde Park Slovenskej sporiteľne

45. ATLAS: A Toroidal LHCApparatuS Hyde Park Slovenskej sporiteľne

46. CMS: CompactMuon Solenoid Hyde Park Slovenskej sporiteľne

47. Hyde Park Slovenskej sporiteľne

48. Akosavarí Higgsov bozón? • Produkcia • Rozpad Hyde Park Slovenskej sporiteľne

49. Hyde Park Slovenskej sporiteľne

50. Born on the Fourth of July (2012) Hyde Park Slovenskej sporiteľne