FIZYKA%20III%20MEL

1
FIZYKA IIIMEL
Fizyka jadrowa i czastek elementarnych
Wyklad 6 czastki elementarne i oddzialywania
2
co jest elementarne?
brak struktury!
3
elementarnosc...
1897 elektron (J.J.Thomson) 1905
foton (A.Einstein) 1911 jadro
(E.Rutherford) 1919 proton (E.Rutherford)
1928 pozyton (P.A.M.Dirac) 1931
neutrino (W.Pauli) 1932 neutron
(J.Chadwick)
4
elektron
Thomson (1895) promienie katodowe
elektroliza emisja elektronów
czas zycia stabilnymasa m 0.511
MeVladunek z -1 barionowy B
0leptonowy L 1spin J ½ moment
magnetyczny
P.A.M.Dirac
5
proton
Rutherford (1919) emisja po reakcji ? N
czas zycia stabilnymasa m 938.27
MeVladunek z 1barionowy B 1leptonowy L
0spin J ½ moment magnetyczny
6
foton
A.Einstein (1905) efekt fotoelektryczny
czas zycia stabilnymasa m 0ladunek z
0barionowy B 0leptonowy L 0spin J
1 energia, ped
7
neutron
Chadwick (1930)
czas zycia ? 14.8 min, n ? p e
??emasa m 939.57 MeVladunek z
0barionowy B 1leptonowy L 0spin J
½ moment magnetyczny
8
pozyton
P.A.M.Dirac (1928) relatywistyczne
równanie falowe
Carl Anderson (1932) odkrycie w komorze mglowej
z polem B
9
kreacja pary
h?min 2mec2 ? 1.02 MeV
10
lawiny fotonowo-elektronowe
11
anihilacja

• hamowanie
• pozytonium
• anihilacja
• 2 fotony E? ? 0.5 MeV

12
neutrino
Pauli (1931) przewidzial istnienie na podstawie
analizy rozpadu ?
czas zycia stabilnymasa m 0 ? (lt 310 6
MeV) ladunek z 0 barionowy B
0leptonowy L 1spin J ½ moment
magnetyczny ? 0
Reines, Cowan (1957) odkryli neutrino
13
wiecej czastek...
1938 miony (C.Anderson i S.Neddermeyer
promieniowanie kosmiczne)

• m? ? 200 me (105 MeV)
• ?? oraz ? (antyczastka)
• sa nietrwale czas zycia ?? ? 2.5 ?10-6 s

rozpady mionów
1947, fotoemulsja ?? ? e? ?? ??e ? ? e ?
e ???
1962 dwa rodzaje neutrin elektronowe i
mionowe(e, ?e), (?, ?? )... a potem jeszcze
taonowe (?, ?? )
14
odkrycie taonu
SPEAR
15
wiecej czastek...
Powell (1947) promienie kosmiczne emulsja
jadrowa
Mezony ? (piony)
m? ? 150 MeV
? ? ? ?? ? ? e ?e ???
(e e? ? ? ?)
Istnieje ?? oraz ? (antyczastka)
16
?0 w komorze pecherzykowej
?? Xe ? ?0 ... ?0 ? ? ? T 3.5
GeV
17
pierwsza fotografia czastki Vo
wtórne kosmiczne, h 0 komora mglowa
B 0.35 T, (Manchester Univ.)
G.D.Rochester i C.C.Butler Nature, 160, 855,
(1947)
Mezon K0 czastka dziwna
mV 500 ? 600 MeV ? 10-11 ? 10-9 s
18
wsród produktów rozpadu tez protony
p ? 180 MeV proton p- ? 190 MeV pion
mV ? 1130 MeV
Hiperon ?0 czastka dziwna
19
hiperon omega
K? p ? ?? K Ko p0 5 GeV/c
?? ? ?o ?? ?o ? ?o ?o ?o ? p ???
?o ? 2? ? 2 ( e? e )
Dziwnosc ?? -3
N.Samios, BNL (1964) komora Glasera H2, 80
20
Model Standardowy
Do chwili obecnej odkryto okolo dwiescie czastek
(z których wiekszosc nie jest czastkami
elementarnymi).

• Model Standardowy teoria opisujaca wszystkie
  czastki i oddzialywania miedzy nimi za pomoca
• 6 kwarków
• 6 leptonów
• czastek przenoszacych oddzialywania

Kazdej czastce odpowiada antyczastka
21
kwarki (spin ½) i leptony (spin ½)
aromat (flavour) masa MeV ladunek lepton masa MeV ladunek
u up górny 1.5 ? 4.5 2/3 e - elektron ? ? 0.511 -1
d down dolny 5.0 ? 8.5 -1/3 ? - neutrino elektronowe 0 lt 3.0?10-6 0
c charm powabny 1.0 ? 1.4 ?103 2/3 µ -mion ? 2.2010-6 s 105.7 -1
s strange dziwny 80 ? 155 -1/3 ?µ neutrinomionowe 0 lt 0.19 0
t top wierzchni 174. ?103 2/3 t - taon ? 2.9110-13 s 1777.0 -1
b bottom spodni 4.0 ? 4.5 ?103 -1/3 ?t neutrinotaonowe 0 lt 18.2 0
PPb 2002
Czastki z róznych rodzin róznia sie zapachem.
22
Hadrony

• Z kwarków zbudowane sa hadrony
• z trzech kwarków bariony
• z kwarku i antykwarku - mezony

23
Bariony
Wiekszosc masy hadronu to energia wiazania
kwarków.
24
Masa hadronu
25
Mezony
26
Leptony
Leptony (e, ?e), (?, ?? ), (?, ?? )
antyczastki sa fermionami oddzialujacymi slabo,
Liczba leptonowa
Le L? L?
e?, ?e 1 ??, ?? 1 ??, ?? 1
e,??e ?1 ?,??? ?1 ?,??? ?1
inne 0 inne 0 inne 0
Czastki nalezace do róznych rodzin róznia sie
zapachem.
27
Rozpady leptonów
Elektron i 3 rodzaje neutrin trwale Mion i taon
- nietrwale
Liczby elektronowe, mionowe i taonowe sa zawsze
zachowane, gdy ciezki lepton rozpada sie na
mniejsze leptony.
Czy te rozpady sa mozliwe?
Liczba mionowa niezachowana
Energia niezachowana
28
Oddzialywania
Wirtualne czastki przenoszace oddzialywanie
Zasada nieoznaczonosci
Próznia wypelniona jest powstajacymi i
znikajacymi czastkami wirtualnymi.
29
Odzialywanie elektromagnetyczne

• Dziala na ladunki elektryczne
• Odpowiedzialne za wiazania chemiczne
• Nosnik foton (?)
• Zasieg nieskonczony

30
Odzialywanie silne

• Dziala na ladunki kolorowe
• Odpowiedzialne za wiazanie kwarków w barionach
• Nosniki gluony
• Zasieg 10-15 m (odleglosc typowa dla kwarków w
  nukleonie)

31
Odzialywanie silne
Kwarki maja ladunek kolorowy
Istnieja tylko czastki o calkowitym ladunku
kolorowym równym zeru.
Uwiezienie kwarków (kolorów)
32
(No Transcript)
33
Uwiezienie kwarków

• Oddzialywanie miedzy kwarkami rosnie wraz z
  odlegloscia.
• Próba rozdzielenia kwarków prowadzi do
  wytworzenia nowej pary kwark-antykwark (jest to
  proces korzystniejszy energetycznie).

mezon D-
mezon D
mezon ?c
Zamiana energii na mase
34
Oddzialywanie kolorowe
Gluony musza miec ladunek kolorowy oraz ladunek
antykolorowy, gdyz zmieniaja one zawsze dany
kolor w antykolor.
q
g
q
Ladunek kolorowy jest zawsze zachowany.
8 gluonów - 8 stanów kolorów superoktet (SU3)
35
(No Transcript)
36
Oddzialywanie slabe

• Odpowiedzialne za rozpad ciezkich kwarków i
  leptonów na lzejsze kwarki i leptony (zmiana
  zapachu).
• Czastki przenoszace oddzialywanie slabe to
  bozony W, W- i Z0.

Masy W, W- i Z0 duze (80 GeV) ? Zasieg maly
Oddzialywanie slabe i elektromagnetyczne opisuje
jednolita teoria oddzialywan elektroslabych.
37
Oddzialywania elektroslabe
Male odleglosci (10-18 m) ? wielkie energie
?
Oddzialywania slabe i elektromagnetyczne
porównywalne.
Wieksze odleglosci (310-17 m)
?
Oddzialywanie slabe jest 10-4 razy mniejsze niz
elektromagnetyczne
38
Slaby rozpad
W rozpadzie posredniczy bozon W-
39
Oddzialywanie grawitacyjne

• Dziala na kazde cialo
• Odpowiedzialne za istnienie planet, gwiazd,
  galaktyk...
• Nosnik (hipotetyczny) grawiton?
• Zasieg nieskonczony

Brak teorii, która wiaze oddzialywanie
grawitacyjne z innymi rodzajami oddzialywan
jeden z glównych nierozwiazanych problemów
kosmologii.
40
Oddzialywania
grawit. elektroslabe elektroslabe elektroslabe silne (kolorowe) silne (kolorowe) silne (kolorowe)
grawiton(?) masa GeV ladunek masa GeV ladunek
grawiton(?) ? WW-Zo 0 80.480.491.2 0 1-10 g - gluon 0 0
grawiton(?) ? WW-Zo 0 80.480.491.2 0 1-10 superoktet SU(3) 8 stanów koloru superoktet SU(3) 8 stanów koloru superoktet SU(3) 8 stanów koloru
Literatura

• http//chall.ifj.edu.pl/przygodazczastkami/framele
  ss/index.html
• http//www.wiw.pl/fizyka/boskaczastka/
• L. Lederman Boska czastka