FIZYKA CZASTEK

1
FIZYKA CZASTEK

• od starozytnych do modelu standardowego i dalej
• Krzysztof Fialkowski, IFUJ

2
Plan wykladów

• Krótka historia fizyki czastek prehistoria,
  zródla naturalne i akceleratory, leptony i
  hadrony, model kwarków, unifikacja GSW, QCD i
  kompletny model standardowy
• Droga odkryc na przykladzie neutrin reaktory,
  Slonce, akceleratory, detektory, masy neutrin,
  oscylacje, neutrino Majorany
• Podsumowanie i perspektywy nagrody Nobla, lista
  czastek, brakujace ogniwa

3
Czy istnieja czastki elementarne?

• Demokryt (via Lukrecjusz) istnieje granica
  mozliwosci podzialu materii, czyli czastki
  niepodzielne (atomos).
• Arystoteles to niemozliwe, bo pomiedzy atomami
  bylaby próznia, a na to natura nie pozwala.
• Dzis niby zgadzamy sie z Demokrytem, ale TAK
  NAPRAWDE próznia to nie próznia, wiec?

4
Atomy XIX wieku

• Dalton atomy tlumacza stale proporcje
  pierwiastków w zwiazkach chemicznych
• (z dokladnoscia do stalych wymiernych).
• Boltzmann termodynamika jako fizyka statystyczna
  czasteczek/atomów.
• Einstein, Smoluchowski ruchy Browna jako skutki
  uderzen atomów w widzialne czastki zawiesiny,
  pylki itp..

5
Budowa atomu

• Thomson 1897 elektrony, 1904 model atomu ciasta
  z rodzynkami.
• 1896 Becquerel, 1900 Villard radioaktywnosc a,
  b, g ( zmiennosc atomów).
• 11 Rutherford jadro dla wytlumaczenia
  rozpraszania czastek a do tylu, proton jadro
  atomu wodoru.

6
Wstawka jak badac mikrostrukture?

• Naiwnie a) zobaczyc, b) rozlozyc na czesci.
• Fizycznie a) zbadac rozproszenie fali,
  b) dostarczyc energie gt energii wiazania.
• Granice mozliwosci w zapisie kwantowym a)lltltR
  (swiatlo), Q2gt?2/R2?Egt?c/R (czastki, to samo wg.
  de Brogliea),
• b)DE?c/R (Heisenberg znów to samo).
• Zatem do badania mikroswiata konieczne wielkie
  energie!
• Skala ?c0.2GeVfm, wiec 0.1nm?1keV (atom)
  10fm?10MeV (jadro) bedzie dalej!

7
Budowa atomu II

• Model Bohra atomu orbity elektronów wokól
  jadra, ale bez promieniowania (wbrew fizyce
  klasycznej!).
• 30 Pauli hipoteza neutrina dla ocalenia praw
  zachowania energii i momentu pedu w rozpadzie b.
• Fermi teoria rozpadu b, slabe oddzialywania
  zerowy zasieg nieskonczona masa bozonu?
• 32 Anderson pozyton (antyczastka elektronu).
• 32 Chadwick neutron (aBenC Joliot-Curie).
• Heisenberg (Majorana, Iwanienko) jadra -uklady
  protonów i neutronów nukleonów, izospin.

8
Poczatki fizyki czastek

• Uwaga dotad wystarczaly czastki a z rozpadów
  (kilka MeV), wyzsze energie z promieniowania
  kosmicznego ( a wlasciwie produktów zderzen z
  atomami atmosfery). Od 32 akceleratory
  (Cockroft, Walton liniowy, Lawrence cykliczny).
• 35 Yukawa teoria mezonowa dla wyjasnienia
  skonczonego zasiegu R sil jadrowych, a stad np.
  stalej gestosci materii jadrowej.
• 37 Anderson mion, mezon? Nie! Kto zamawial?
• 47 Powell odkrycie mezonu p, mp?/cR p?mn.

9
(No Transcript)
10
Niespodzianki powojenne

• 47 Rochester, Butler czastki V w emulsji.
• 52 Danysz, Pniewski hiperjadra.
• 52 Fermi nowe hadrony (silnie oddzialujace),
  krótkozyjace (rezonanse), DE100MeV.
• 55 Lee-Yang teoria niezachowania parzystosci w
  rozpadzie b Wu potwierdzenie eksp. neutrina o
  zerowej masie?
• 55 Gell-Mann dziwnosc S, prawo zachowania
  czastki dziwne tworzone parami w o. silnych,
  rozpad wolny przez o. slabe, bez zachowania S.
• 56 Reines i Cowan oddzialywanie neutrin.

11
Nowe akceleratory

• Cyklotron pozwalal na nadanie Ekltltmc2, wtedy
  czestosc obiegu w stalym B stala.
• Do wyzszych energii konieczna zmiennosc pola,
  wygodny staly promien, niewielka objetosc pola i
  przyspieszanie peczków synchrotron (dla e vc,
  dla p zmienna).
• Dzis praktycznie cykliczne i liniowe maja te same
  elementy przyspieszajace, MeV/m (moze bedzie
  GeV/m?), ale w cyklicznych strata na
  promieniowanie granica 100GeV dla e, 20TeV dla
  p. Zderzajace sie wiazki!

12
(No Transcript)
13
Dalsze klopoty i próby porzadkowania

• 61 Glashow oddzialywania slabe jak
  elektromagnetyczne z nowymi bozonami?
• 62 Lederman, Schwartz, Steinberger i inni dwa
  neutrina.
• 64 Cronin i Fitch niezachowanie CP.
• 64 Gell-Mann i Zweig model kwarkowy (u,d,s)
  hadronów.
• Nieudane próby odkrycia kwarków uwiezienie?
• 67 Salam, Weinberg pelna teoria GSW
  oddzialywan elektroslabych.

14
Rewolucja lat 70-tych

• 70 Glashow, Ilopoulos, Maiani dla slabych o.
  konieczny czwarty kwark.
• 73 Gross, Wilczek, Politzer asymptotyczna
  swoboda silnych o. kwarki uwiezione, ale im
  blizej, tym slabiej oddzialuja.
• 74 Richter/Ting odkrycie czastki j/y, swiat 4
  kwarków(u,d,s,c) i 4 leptonów (e,ne,m,nm).
• 75 Perl odkrycie leptonu t.
• 77 Lederman czastka ? - piaty kwark b.

15
Kompletny model standardowy

• 83 UA1, UA2 (CERN collider) odkrycie bozonów W,
  Z m100mp (Nobel Rubbia - collider, van der
  Meer - ogniskowanie).
• 90 LEP (bilans rozpadów Z) tylko 3 neutrina.
• 95 CDF, D0 odkrycie szóstego kwarku t w
  zderzeniach pp (rozpady na Wb).
• 98 niespodzianka neutrina maja mase!

16
Jak sie tego dowiedzielismy?Przyklad neutrino

• Przypomnienie hipoteza neutrina Pauli 30
• Przeslanki
• a) w rozpadzie b widmo energii elektronu ciagle
  od 0 do Emax (dla a, g dyskretne)
• b) jadra przed- i po rozpadzie oba spin calkowity
  (w h), albo oba polówkowy
• Niezachowanie energii i momentu pedu?
• List Pauliego

17
Dalsza historia neutrin

• Przypomnienie Reines (Nobel 95) i Cowan
  rejestrowali produkty reakcji np?en (pozyton
  przez anihilacje na 2 g, neutron przez wychwyt w
  kadmie i emisje kilku g z wzbudzonego jadra)
• Rejestracja neutrin to zawsze rejestracja
  produktów oddzialywania n z materia!
• Skoro tylko znikomy ulamek (rzedu 10-12)
  oddzialuje, potrzebne potezne strumienie!
  Reines-Cowan z reaktora. Skad jeszcze?

18
(No Transcript)
19
Neutrina sloneczne

• W latach 30 XX wieku fizycy (Hans Bethe i inni)
  ustalili zródla energii slonca
• reakcje fuzji jader wodoru w jadra helu
  pp?den pd ?3Heg 3He3He ? 4He2pg, w
  sumie 6p ? 4He2n2p2e3g. Pozytony anihiluja,
  kwanty g, protony i jadra helu oddaja swoja
  energie kinetyczna otoczeniu zwiekszajac jego
  temperature, neutrina uciekaja.
• Te neutrina maja energie ponizej energii
  spoczynkowej e, trudno je rejestrowac, ale sa i
  neutrina z innych reakcji, o wyzszej energii.
• Ile neutrin dolatuje do nas ze Slonca?

20
Strumien neutrin slonecznych

• Ze strumienia energii elektromagnetycznej ze
  Slonca na Ziemi i odleglosci Ziemia-Slonce
  obliczono moc Slonca 41026 W, a stad liczbe
  neutrin emitowanych przez Slonce 51038/s i
  strumien neutrin na Ziemi 61010/s/cm2. To jest
  porównywalne ze strumieniem w poblizu reaktorów!
• Davis eksperyment detekcji tych neutrin z
  reakcji n37Cl ? 37Are- (tylko dla Egt0.8MeV,
  wiec maly ulamek neutrin, ale i tak mnóstwo)

21
Eksperyment Davisa (Nobel 02)

• Aparatura zbiornik 615 t C2Cl4 (srodek
  czyszczacy) w starej kopalni zlota Homestake
  (Dakota S) 1500m pod ziemia
• Co 2 miesiace argon wyplukiwany helem ze
  zbiornika, mierzona liczba jego atomów przez
  rozpady b
• W latach 1970-94 zarejestrowano 875 rozpadów,
  stad oszacowano 2200 reakcji 3 razy mniej, niz
  przewidywala teoria!!!

22
(No Transcript)
23
Antrakt rózne neutrina

• W rozpadzie p ?mn ginie polowa energii unoszona
  najwyrazniej przez neutrino, ale czy to neutrino
  mionowe tozsame z n z rozpadu b?
• Lederman, Schwartz, Steinberger (Nobel88)
  wiazka pionów ze zderzen protonów z tarcza
  formowana, po czasie gt czasu rozpadu kierowana
  przez oslone (wiele metrów stali z rozbieranego
  pancernika) do detektorów kanapek warstwy
  materii i scyntylatora.
• Wynik produkowane sa miony, a nie elektrony!
• Dzis wiemy, ze jest i trzecie neutrino taonowe.

24
(No Transcript)
25
Inne eksperymenty

• Dalsze radiochemiczne GALLEX, SAGE z uzyciem
  71Ga ?71Ge (juz dla Egt0.2MeV) nadal mniej
  neutrin, niz z teorii (ok. ½).
• Inna technika pomiar na biezaco przez
  rejestracje elektronu/mionu, w który zmienia sie
  neutrino oddzialujac z nukleonami materii. Nadal
  deficyt neutrin slonecznych!
• Najwygodniej gdy tarczadetektor zbiorniki
  wodne, w których wytworzone e/m wysylaja
  promieniowanie Czerenkowa (odpowiednik
  naddzwiekowego grzmotu dla vgtc/n). Dzis
  najwiekszy Superkamiokande (50 kt!).

26
(No Transcript)
27
Neutrina z innych zródel

• Atmosferyczne z rozpadów pionów produkowanych
  w atmosferze przez promieniowanie kosmiczne i z
  rozpadów mionów z rozpadów pionów
• Odkrycie Superkamiokande (Koshiba Nobel 2003)
  neutrin elektronowych tyle samo z dolu, co z
  góry, mionowych znacznie mniej z dolu.
  Wyjasnienie mionowe zmieniaja sie po drodze w
  taonowe, niewidoczne dla SK- oscylacje.
• Podobne tlumaczenie dla neutrin slonecznych! Ale
  to mozliwe tylko, gdy masa rózna od zera!

28
Dalsze badania

• Widmo energii elektronów z rozpadu b trytu
  dowodzi, ze mn lt 10-5 me.
• Oscylacje (zamiana w locie na inny rodzaj
  neutrin) mozliwe tylko, gdy znane neutrina to
  kombinacje 3 stanów o róznych masach.
• Jak to dokladniej zbadac?
• Dokladniejszy pomiar rozpadu b trytu (KATRIN).
• Poszukiwania tzw. bezneutrinowego podwójnego
  rozpadu b (GERDA).
• Badania oscylacji dla znanej dokladnie wiazki z
  akceleratora (K2K, CNGS).

29
(No Transcript)
30
Bezneutrinowy podwójny rozpad b (lata 30)

• Maria Goeppert-Mayer sa jadra
  parzysto-parzyste, dla których nie ma rozpadu b
  (jadro z ZZ1 jest ciezsze), ale mozliwy rozpad
  bb (Z)?(Z2)2e2n (jadro z ZZ2 jest
  lzejsze!).
• Ettore Majorana teoria neutrin tozsamych z
  antyneutrinami.
• Racah, Furry dla takich neutrin mozliwe nowe
  procesy, w tym bezneutrinowy rozpad bb
  (Z)?(Z2)2e
• Jesli wykryjemy, udowodnimy, ze neutrina to
  czastki Majorany i wyznaczymy ich mase! Ale te
  rozpady sa bardzo rzadkie, a izotopy drogie

31
Schemat eksperymentu GERDA w Gran Sasso

32
CNGS

• Aby wykryc oscylacje dla wygodnych energii
  neutrin, daleki detektor musi byc setki
  kilometrów od zródla akceleratora (podobnego,
  jak w eksperymencie LSS).
• Na szczescie neutrina moga leciec bez
  prowadnicy, prosto przez Ziemie.
• Juz dziala taki uklad w Japonii (K2K). Wkrótce
  ruszy CNGS (z CERN-u pod Alpami do Gran Sasso we
  Wloszech).

33
CERN ? Gran Sasso
34
Ostatnie uzupelnienia

• 00 DONUT oddzialywanie neutrina taonowego (nikt
  nie watpil, ale)
• Osiagnieta skala odleglosci 100GeV?1am ew.
  struktura kwarków i leptonów musi byc mniejsza!
• Listy elementarnych skladników materii

35
Tabela leptonów
Lepton Masa MeV/c2 Czas zycia s
Elektron e- 0,5 trwaly
Neutrino el. ne lt10-5 (10-7?) trwale
Mion m- 100 210-6
Neutrino m.nm lt0,17 (10-7?) trwale
Taon t- 1800 310-13
Neutrino t.nt lt18 (10-7?) trwale
36
Tabela kwarków
Kwark Masa MeV/c2 Ladunek e
Górny u 4 2/3
Dolny d 6 -1/3
Dziwny s 130 -1/3
Powabny c 1300 2/3
Piekny b 4300 -1/3
Szczytowy t 175000 2/3
37
Tabela bozonów
Bozon Masa GeV/c2 Czas zycia s
Foton ? 0 8
Gluon G 0 8
Bozon W 82 10-26
Bozon Z 91 10-26


38
Nagrody Nobla z fizyki czastek

• 1935 J Chadwick odkrycie neutronu
• 1936 V Hess promieniowanie kosmiczne, C
  Anderson pozyton
• 1948 P Blackett odkrycia w komorze Wilsona
• 1949 H Yukawa teoria mezonu p
• 1950 C Powell emulsja jadrowa, odkrycie p...
• 1957 TD Lee, CN Yang lamanie P
• 1958 PA Cherenkov, IM Frank, IY Tamm efekt
  Czerenkowa
• 1959 EG Segre, O Chamberlain odkrycie
  antyprotonu
• 1960 DA Glaser komora pecherzykowa
• 1961 R Hofstadter struktura nukleonów
• 1963 EP Wigner symetrie w fizyce
• 1965 SI Tomonaga, JS Schwinger, RP Feynman QED
• 1967 HA Bethe energia gwiazd
• 1968 LW Alvarez rezonanse (krótkozyjace hadrony)

39
Nagrody Nobla cd

• 1969 M Gell-Mann klasyfikacja hadronów (model
  kwarków)
• 1976 B Richter, S Ting odkrycie j/y
• 1979 SL Glashow, A Salam, S Weinberg unifikacja
  teorii oddzialywan EM i slabych
• 1980 JW. Cronin, VL Fitch lamanie CP
• 1984 C Rubbia, S Van Der Meer odkrycie W i Z
• 1988 LM Lederman, M Schwartz, J Steinberger nm
• 1990 JI Friedman, HW Kendall, RE Taylor odkrycie
  struktury kwarkowej nukleonów
• 1992 G Charpak komora drutowa
• 1995 ML Perl lepton t, F Reines neutrino
• 1999 G t Hooft, MJG Veltman renormalizacja
  teorii GSW
• 2002 R Davis Jr., M Koshiba neutrina kosmiczne
• 2005 DJ Gross, HD Politzer, F Wilczek
  asymptotyczna swoboda QCD

40
Brakujace ogniwa

• Czastka Higgsa zródlo mas bozonów (takze kwarków
  i leptonów).
• Hierarchia mas? Dla t, W, Z 100mp, dla e
  0.0005mp, dla n lt10-10mp. Skad?
• Nieskonczonosci? Supersymetria?
• Hierarchia oddzialywan? Unifikacja?
• Liczba wymiarów? Superstruny?
• Ciemna materia? Ciemna energia?

41
Czastka Higgsa

• Wedlug teorii GSW (opisujacej wiernie wszystkie
  dane o o. elektroslabych) masy bozonów W i Z, a
  takze leptonów i kwarków pochodza z oddzialywania
  z tzw. polem Higgsa, które wypelnia próznie,
  czyli stan o najnizszej mozliwej energii.
• Obrazek bezwladnosc jak opór osrodka.
• Polu Higgsa powinna odpowiadac czastka H0 (dotad
  nieodkryta, moze o wielkiej masie?).
• Zderzacz protonów LHC powinien umozliwic w
  latach 07-10 sprawdzenie, czy H0 istnieje.

42
Zródla hierarchii mas

• Model standardowy nie wyjasnia hierarchii mas.
  Szczególnie trudno zrozumiec, dlaczego neutrina
  sa tak lekkie. Jesli to czastka Majorany, mozliwe
  tlumaczenie przez mechanizm hustawki zwiazek
  z bardzo ciezkimi czastkami do odkrycia.
• Generalnie, dla wyjasnienia mas nalezy przyjac,
  ze MS to tylko przyblizenie prawdziwej teorii z
  wieloma nowymi czastkami.

43
Usuwanie nieskonczonosci

• Juz w teorii elektrodynamiki wystepuja
  nieskonczonosci usuwane trickami
  matematycznymi. W teorii GSW i QCD podobnie.
• Nieskonczonosci mozna uniknac, zakladajac
  supersymetrie istnienie dla wszystkich
  znanych dzis czastek ciezszych partnerów.
• Poszukiwania od 30 lat bezowocne, ale

44
Unifikacja?

• Model standardowy to mechaniczne zlozenie
  teorii GSW i QCD.
• Skoro GSW to wspólna teoria pozornie bardzo
  róznych o. elektromagnetycznych i slabych, moze i
  silne mozna z nimi zunifikowac?
• W takiej teorii proton moze nie byc absolutnie
  stabilny (choc zyje kwintyliony lat), co
  pozwala wyjasnic niezrozumialy fakt dlaczego we
  Wszechswiecie jest tak malo antymaterii?
• Niestety takie teorie dotad niezadowalajace.

45
Ile wymiarów? Struny?

• Kolejne dziwne pytanie dlaczego zyjemy akurat
  w 3 wymiarach czas?
• Teoria mówi, ze liczba wymiarów nie moze byc
  dowolna, jesli podstawowe obiekty to nie punkty,
  ale struny. Niestety wtedy minimum to 10
  wymiarów!
• Co z nadmiarowymi? Zwiniete? Czy da sie to
  wykryc? Tak, jesli promien kola dosc duzy.
  Projekty doswiadczen!
• Uwaga teoria musi wyjasnic sukcesy modelu
  standardowego jako pewnego przyblizenia.

46
A to jeszcze nie wszystko

• Od dziesiecioleci wiadomo, ze oprócz widocznych
  gwiazd i galaktyk istnieje ciemna materia
  oddzialujaca grawitacja z tym, co widac.
• Obecne oszacowania sugeruja, ze tylko mala czesc
  ciemnej materii moze byc zbudowana ze znanych
  czastek.
• Co gorsza, oprócz innych czastek o nieznanej
  naturze Wszechswiat wypelnia takze ciemna
  energia. Nie wiemy, co to jest!

47
Wnioski

• Z pewnoscia jeszcze naszym wnukom nie braknie
  tematów do badania.
• Ale juz do nas pasuje chinska klatwa
• Obys zyl w ciekawych czasach!