Částicová fyzika

1. Částicová fyzika Zásadní otázka: Co vlastně drží pohromadě atomová jádra? Ve třicátých letech byla představa o hmotě jednoduchá a přehledná. Proton Hmota Neutron Elektron Záření Foton Interakce Gravitace Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Elektromagnetická interakce Pro projekt „Cesta k vědě“ (veda.gymjs.net) vytvořil V. Pospíšil (gdermog@seznam.cz). Modifikace a šíření dokumentu podléhá licenci CC-BY-SA. ???

2. Částicová fyzika Dosah síly Protony Neutrony • Musí existovat síla, která drží pohromadě jádra. Má následující vlastnosti: • Silnější než elektromagnetická • Má krátký dosah • Působí stejně na protony i neutrony

3. Částicová fyzika Silná interakce krátký dosah na rozdíl od nekonečného dosahu gravitace a elmg. interakce Dosah síly je jako dosah ruky boxera – po určité vzdálenosti její vliv prudce klesá k nule Síla mezi nukleony je dozajista projevem nějakého pole, obdobně jako elektrostatické přitahování a odpuzování je projevem elektromagnetického pole. Existuje-li ovšem foton jako kvantum elektromagnetického pole, jaká kvanta tvoří pole silné interakce?

4. Částicová fyzika Jaderná interakce Mezon 1934 – Yukawova teorie mezonu Proton Neutron Elektron Yukawa spočítal, že klidová hmotnost mezonu má být cca 153 MeV (300x hmotnost elektronu). To, že kvantum má nenulovou klidovou hmotnost souvisí s konečným dosahem silné interakce. Pozn.: název „mezon“ znamená „středně hmotný“ Foton Elektromagnetická interakce

5. Částicová fyzika π 1937 – objev nových částic v kosmickém záření. Jsou však lehčí, než předpovídal Yukawa. 1946 – ukazuje se, že nové částice jsou ve skutečnosti dvě: μ a π μ

6. Částicová fyzika Yukawou předpovězená částice Proton Neutron Mezon π (pion) Muon (μ) Elektron Foton

7. Částicová fyzika Paul Dirac 1923 – P. Dirac předpovídá existenci antičástic Základní rovnice vzešlá ze spojení kvantové mechaniky a speciální teorie relativity má vždy dvě řešení – pro částici s kladnou a se zápornou energií. Diracovo moře Kladná energie E = 0 Záporná energie Všechny stavy se zápornou energií musí být zaplněny – Pauliho vylučovací princip pak zbrání, aby obyčejné elektrony do těchto stavů napadaly.

8. Částicová fyzika Carl David Anderson (1905-1991) 1932 – objev pozitronu (antičástice elektronu) B Objevitelský snímek pozitronu. Pozitron s vysokou energií vniká do mlžné komory v místě A. Po průchodu 6 mm tlustým olověným plátem ztrácí část své energie. Ze zakřivení trajektorie v magnetickém poli je možné určit náboj i hmotnost částice. A

9. Částicová fyzika Myšlenka Diracova moře byla rychle opuštěna. Místo toho bylo zjištěno, že druhé řešení relativistické kvantové rovnice náleží jiné částici s kladnou energií, ale opačnými kvantovými vlastnostmi. Každá částice má příslušnou antičástici. Proton Antiproton Neutron Antineutron Elektron Pozitron Foton = Antifoton

10. Částicová fyzika Anihilace : Poválečná představa o elementárních částicích Proton Antiproton Neutron Antineutron Elektron Pozitron π - π + μ - μ + Foton

11. Částicová fyzika – objev neutrin Beta rozpad e- p+ n n n p+ p+ Roku 1930 se při studiu β rozpadu došlo k výrazné nesrovnalosti v energetické bilanci reakcí. β rozpad je dvoučásticový, ze z.z. hybnosti a energie plyne, že každá částice musí mít pevně danou energii.

12. Částicová fyzika – objev neutrin m1 m2 Hybnost před rozpadem p = 0, tudíž i po rozpadu musí být celková hybnost 0.

13. Částicová fyzika – objev neutrin m1 m2 Hybnost před rozpadem p = 0, tudíž i po rozpadu musí být celková hybnost 0.

14. Částicová fyzika – objev neutrin m1 m2 Hybnost před rozpadem p = 0, tudíž i po rozpadu musí být celková hybnost 0. Pozn. : nerelativistické přiblížení

15. Částicová fyzika – objev neutrin Energie při dvoučásticovém rozpadu se rozdělí v obráceném poměru hmotností. Jelikož ale je možné tvrdit, že těžké jádro získá téměř nulovou kinetickou energii, zatímco elektron prakticky všechnu. Protože energie rozpadu je pevně dána, měla by pozorovaná energie elektronů být rovněž pevně dána. množství částic E Ee- Šířka vrcholu je dána přesností měřicích přístrojů.

16. Částicová fyzika – objev neutrin Niels Bohr 1885 - 1962 Neplatí z. z. energie! množství částic Wolfgang Pauli 1900 - 1958 Existuje lehká neutrální částice, která odnáší zbytek energie. E Ee- Toto rozdělení ukazuje, že energie elektronu při β rozpadu je náhodná (do maximální hodnoty E), což je v příkrém rozporu s teoretickým výpočtem

17. Částicová fyzika – objev neutrin Pauli má pravdu! Je to neutrino! Enrico Fermi 1901 - 1954 Rozpad neutronu

18. Částicová fyzika – objev neutrin 1947 : Mám nepřímý důkaz! Zvláštní rozpad pionu. Cecil Frank Powell (1903-1969) μ Mlžná komora π

19. Částicová fyzika – objev neutrin Existence neutrina byla definitivně potvrzena r. 1956 pozorováním „inverzního β rozpadu“, reakce Vlastnosti neutrina jsou velmi zajímavé : má velmi nízkou klidovou hmotnost (teprve v r. 1998 byl získán první nepřímý důkaz, že má klidovou hmotnost větší než nula) a téměř nepodléhá interakcím s ostatní hmotou: 50% šance že proletí neutrino Olovo Tisíce světelných let Dnes také víme, že neutrin je více druhů (tři různá neutrina a tři příslušná antineutrina).

20. Částicová fyzika – podivné částice π- π+ 1947 : První pozorování rozpadu těžké neutrální částice, která byla do té doby neznámá. Byla pojmenována „Kaon“ a označena jako KO.

21. Částicová fyzika – podivné částice V krátké době se vyrojili další a další částice a reakce

22. Částicová fyzika – podivné částice S0 po L+ D- Do K- D+ W- Co je to za džungli !? p- p p+ D++ K0 K+

23. Částicová fyzika – podivné částice Murray Gell-Mann 1929 - Řád byl do džungle vnesen r. 1961 – vznikla „cesta osmi“ (Eightfold way) coby první pokus o jakousi periodickou tabulku v částicové fyzice. Geometrické obrazce K0 K+ S=1 Náboj S= 0 Π- π+ π0 Q=1 S= -1 K- K0 Podivnost Q=0 Q=-1

24. Částicová fyzika – podivné částice Δ- Δ0 Δ+ Δ++ Σ- Σ0 Σ+ Ξ- Ξ0 Murray Gell-Mann 1929 - S=0 Q=2 S=-1 Q=1 S=-2 Q=0 S=-3 Zde nebyla žádná známá částice. Gell-Man předpověděl její existenci a spočítal její náboj a hmotnost. Navíc řekl experimentátorům, jakou reakcí ji bude možné vyprodukovat. A v zápětí byla nalezena. Q=-1

25. Částicová fyzika – kvarkový model S=1 s u d S=0 Q=-2/3 Q=1/3 d u S=0 Q=2/3 s S=-1 Q=-1/3

26. Částicová fyzika – kvarkový model James Joyce Three Quarks for Muster Mark

27. Částicová fyzika – kvarkový model Ostatní obrazce se dají sestavit ze dvou kvarkových trojúhelníků. udd uud uuu ddd S=0 uus dds Q=2 uds S=-1 dss uss Q=1 S=-2 Q=0 S=-3 sss Q=-1

28. Částicová fyzika – kvarkový model Kvarkový model měl jeden zásadní nedostatek – i přes intenzivní hledání přes 20 let dlouhé nebyly kvarky nikdy pozorovány jako samostatné částice. Navíc, částice typu (uuu), (ddd) či (sss) zjevně porušovaly Pauliho vylučovací princip. Až do roku 1974 nebyl kvarkový model uznáván a v částicové fyzice přetrvávala větší či menší džungle.

29. Částicová fyzika – kvarkový model udd uud uuu ddd S=0 uus dds Q=2 uds S=-1 dss uss Q=1 S=-2 Q=0 S=-3 sss • Nedostatky kvarkového modelu : • Nebyly nikdy pozorovány samostatné kvarky • Porušoval Pauliho vylučovací princip Q=-1

30. Částicová fyzika – kvarkový model u u u u d d d s s s d s 1964 - O. Greenberg navrhuje řešení problému s Pauliho vylučovacím principem zavedením nové kvantové vlastnosti kvarků – barvy. Má-li každý kvark v dané částici (uuu, ddd, sss) jinou barvu, nejsou identické a Pauliho vylučovací princip se na něj nevztahuje.

31. Částicová fyzika – kvarkový model d u u d d u d u u d Vlastnost „barevnost“ u složených částic nepozorujeme, neboť tři různé barvy či barva a antibarva dá dohromady „bílou“ – bezbarvou částici. Neutron Proton π- π+ Pozn.: kvantová vlastnost „barva“ samozřejmě nemá nic společného s optickými jevy.

32. Částicová fyzika – objev J/Ψ Burton Ritcher 1931 - S. C. C. Ting 1936 - Zavedení barev kvarků vyřešilo problém s Pauliho vylučovacím principem a zároveň naznačilo, proč nelze pozorovat samostatné kvarky – pokud pozorovatelné objekty (částice) musí být bezbarvé, pak je možné spojovat kvarky po dvou (barva-antibarva) nebo po třech (tři barvy nebo tři antibarvy), ne však čtyřech či po jednom. Nutnost „bezbarvosti“ pozorovatelných částic byla ale spekulace a kvarkový model nebyl podložen experimentálně. Mezi roky 1964 – 1974 se o kvarcích v „lepší fyzikální společnosti“ nemluvilo. Objev J/Ψr. 1974, Nobelova cena r. 1976

33. Částicová fyzika – objev J/Ψ • Elektricky neutrální • Extrémně těžká (3.1 GeV) • Extrémní doba života (10-20 s) Obdobně těžké částice (mezony) mají typickou dobu života 10-23 s, tato částice žije tedy 1000x déle, než srovnatelné částice. To je jako objevit kdesi v Andách vesničku, ve které se lidé dožívají běžně 70000 let. To nemůže být nějaká anomálie, ale známka úplně nových, doposud neznámých biologických jevů. Objev J/Ψtedy znamenal převrat ve fyzice částic. Tento objev je často označován jako Listopadová revoluce.

34. Částicová fyzika – objev J/Ψ J/Ψje vázaný stav nového kvarku a antikvarku. Tento kvark byl označen jako půvabný (charm). Vázaný stav cc by dle kvarkového měl mít opravdu tak dlouhý život, jak bylo naměřeno. O vlastnostech J/Ψse v měsících po jeho objevu hodně diskutovalo, nicméně zcela vyhovující vysvětlení podal kvarkový model:

35. Částicová fyzika – kvarkový model Existence nového kvarku (c) impikuje existenci mnoha nových částic: ccc c=3 ccd ccu c=2 ccs cud cdd cuu c=1 cds css cus (ddd) Δ- Δ+ (duu) Δ0 (ddu) Δ++ (uuu) (dds) Σ- Σ+ (uus) c=0 Ξ0 (uss) (dss) Ξ- (sss)

36. Částicová fyzika – standardní model Současné vědomosti o elementárních částicích shrnuje tzv. Standardní model. Elementární se zde rozumí taková částice, u které nelze pomocí současných experimentálních metod pozorovat vnitřní strukturu. Leptony

37. Částicová fyzika – standardní model Současné vědomosti o elementárních částicích shrnuje tzv. Standardní model. Elementární se zde rozumí taková částice, u které nelze pomocí současných experimentálních metod pozorovat vnitřní strukturu. Kvarky

38. Částicová fyzika – standardní model Elektromagnetická Gravitační Slabá Silná Jak to všechno drží pohromadě? 4 základní interakce Elmg., silnou a slabou interakci lze vysvětlit pomocí výměny určitých druhů částic částic - mediátorů

39. Částicová fyzika – standardní model • Interakce vysvětlena • výměnou částic (mediátorů) • Kvantová teorie pole • Feynmanovy diagramy e- e-

40. Elektromagnetická Částicová fyzika – standardní model • Reaguje na elektrický náboj • Nekonečný dosah • Odpudivá i přitažlivá • Nosičem (mediátorem) je foton

41. Částicová fyzika – standardní model Silná • Reaguje na barvu • Krátký dosah • Přitažlivá, odpudivá pouze na velmi krátké vzdálenosti • Nosičem (mediátorem) je gluon Silná interakce drží pohromadě kvarky v částicích, její zbytková forma pak drží pohromadě atomová jádra.

42. Částicová fyzika – standardní model Neexistují volné barevné částice – za což může jev uvěznění kvarků. Budeme-li se snažit uvolnit kvark z nitra nukleonu, poroste síla, kterou je v něm vázán. Pokud při „oddalování“ kvarku dodáme dostatečnou energii, vytvoří se pár kvark – antikvark, který se naváže k původním tak, že vzniknou dvě nové bezbarvé částice. Analogii vidíme při natahování pružiny. Pokud pružinu natáhneme moc, praskne a zbudou nám pružiny dvě.

43. Částicová fyzika – kvarkový model Slabá • Reaguje na typ kvarku či leptonu (někdy označováno jako • chuť - flavor) • Krátký dosah • Odpudivá, neexistují stabilní systémy vázané slabou • interakcí. Je zodpovědná za některé rozpady částic • Nosičy (mediátory) jsou tzv. intermediální bozony

44. Částicová fyzika – standardní model