Elementarne cestice

1
Elementarne cestice

2
Potraga za osnovnim sastavnicama kosmosa seže
daleko u prošlost

• Atomska Demokritova hipoteza
• Koliko ima osnovnih cigli?
• - zrak
• vatra
• zemlja
• voda
• Kažu stari Grci.

3
Rutherford atomi nisu elementarne cestice!
1911. Rutherford je našao nukleus u atomu tako
što je alfa cestice usmjeravao na tanke folije od
zlata otkrivši da se neke od njih odbijaju i
vracaju nazad.
4
Atomi
Svi atomi su gradeni od protona, neutrona u
jezgru i elektrona koji kruže oko jezgra
proton
Elektron je prva elementarna cestica Koja je
otkrivena (JJ Thomson 1897)
Protoni i neutroni su sastavljeni od kvarkova
elektron
neutron
5
Periodni sistem elemenata
U Periodnom sistemu elemenata ima 114 elementa sa
razlicitim osobinama masa, kristalna struktura,
tacka topljenja
6
Atomi su složeni objekti

• Protoni ( elektricni naboj), p
• Elektroni ( elektricni naboj), e
• Neutroni (nez naboja), n
• Proton i Neutron imaju približne mase
• Elektron je oko 2000 puta manje mase od protona
• Elektricne sile stvaraju privlacenje izmedu
  elektrona i protona u nukleusu

7
Hemijski elementi su definisani brojem protona u
atomskom jezgru

• Vodonik, 1 proton i 1 elektron

proton
10-10 m
Oblak elektronske vjerovatnosti
8
Ugljik ima 6 protona
Oblak od 6 elektrona
Nukleus 6 protona 6 ili 7 neutrona
Primjedba Skala velicina Je pogrešna, nukleus
je preuvelican
9
Unutrašnjost atoma neutroni, protoni, elektroni
Ugljik (C )
Atomski broj Z6 (broj protona) Maseni broj
A12 (broj protona neutrona) elektrona
protona (atom je elektro-neutralan)
Zlato (Au)
Atomski broj Z 79 Maseni broj A
197 elektrona protona
10
Subatomske cestice
Today
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
10
11
Od atoma do kvarkova
Koliko su mali najmanji sastavni dijelovi
materije?
lt10-18 m
lt10-1 8 m
10-14 m
10-10 m
10-15 m
Atomi i subatomske cestice su mnogo manji nego
talasna dužina vidljive svjetlosti. Zato ih
zaista ne možemo vidjeti. Svi crteži dolaze iz
umjetnicke mašte. Da bismo više saznali o
subatomskim strukturama, trebaju nam akceleratori
cestica.
12
Subatomski svijet
13
Malo istorije
Pocetkom 20. stoljeca pocinje gomilanje
elementarnih cestica. Da bi se objasnilo
izlijetanje elektrona iz elektricki neutralnog
atoma, mora se pretpostaviti postojanje
pozitivnog naboja u atomu. Nosioci tog naboja
nazvani su protoni. Time je neutralnost atoma
postala logicna on je sastavljen od negativnih
elektrona i pozitivnih protona. U atomu ih je
toliko da se njihov broj uravnotežuje. Medutim,
pojavio se nedostatak ovakve šeme. Naime,
prebrojavajuci elektrone i protone u atomu izlazi
da u atomu nedostaje oko polovica mase.
Privremeno rješenje je bilo da atom sadrži jednak
broj protona i elektrona, s tim što je polovica
elektrona smeještena oko jezgre a druga polovica
i svi protoni u jezgri.

14
Malo istorije
Ali i ovo rješenje je osporeno. W. Heisenberg je
pomocu relacija neodredenosti, pokazao da nije
moguce da elektron boravi u jezgri atoma. On
predlaže da jezgra atoma uz pozitivni proton
sarži i neutralnu cesticu mase podjednake masi
protona. Tu cesticu nazvali su neutron. Prije
1930. kao elementarne cestice poznate su samo
proton, elektron i foton. Elektron je 1897.
identifikovao Thomson, a foton je 1905. definirao
Einstein. Foton je elementarna cestica, kvant
elektromagnetnog zracenja, koji se u vakuumu
krece brzinom svjetlosti c, nema masu, a sadrži
energiju E hf , gdje je h - Plankova
konstanta, a f - frekvencija
15
Neutron

• I pored rapidnog napretka fizike u prvih par
  dekada 20-tog stoljeca nije bilo poznato više
  elementarnih cestica sve do 1932. kada je
  Chadwick dokazao postojanje neutrona.
• 1932. James Chadwick je otkrio neutron. Time je
  riješen problem nedostatka mase u atomu broj
  elektrona u atomu jednak je broju protona, a broj
  neutrona je onoliki koliko ih treba da upotpune
  masu atoma. Tako je broj neutrona približan
  broju protona, što je inace zavisno od svakog
  konkretnog atoma.
• A kada je otkriven neutron, cinilo se da su
  dovoljna ova 3 sastavna elementa elektron,
  proton i neutron.

James Chadwick (1891-1974)
16
Neutrino

• To je bilo dovoljno, sve do otkrica ß
  raspada. Naime, u ß raspadu zbivala se cudna
  pojava nestajala je energija. Kad se napravio
  obracun energije prije raspada i uporedio s
  onim poslije raspada rezultat je bio da elektroni
  odlaze s premalo energije. Rješenje je da negdje
  nestaje energija ili je pronaden dogadaj koji
  narušava osnovno pravilo dotadašnje fizike
  zakon ocuvanja energije.
• Cvrstu odbranu zakona ocuvanja energije je
  izveo W.Pauli.
• Pauli iznosi hipotezu da pri ß raspadu dio
  energije sa sobom odnosi cestica koja nastaje u
  raspadu. Cestica, radi ocuvanja neutralnosti
  atoma, treba biti neutralna pa je imenuju
  neutrino, mali neutron. Masa neutrina je jako
  malena , ali on odnosi taj nedostajuci dio
  energije.

17
Uvodenje neutrina

• Neutrino, igra važnu ulogu kod radioaktivnih
  raspada
• n -gt p e- ve

-
Cestica ve (elektronski neutrino) je u bliskoj
vezi sa elektronom, ali ima sasvim drugacije
osobine.
Ime Masa Naboj
elektron 0.0005 GeV -1
Elektronski neutrino lt 0.00000001 GeV 0
18
Klasifikacija cestica Sve cestice se mogu
svrstati na dva nacina , prema spinu i prema
nekom drugom svojstvu. Cestice se prema spinu
dijele na fermione i bozone. Fermioni su one
cestice koje imaju polovicni spin , a bozoni
cestice koje imaju cjelobrojni spin. Dalje,
pokazuje se da su fermioni oni od kojih je
gradena materija, a bozoni oni koji prenose
interakciju i tako održavaju vezu medu
fermionima.   Neka druga podjela svrstava
cestice u tri grupe kvanti polja, leptoni i
hadroni. Hadroni obuhvacaju dvije podgrupe
mezone i barione. U kvantnoj elektrodinamici
polje se opisuje pomocu nosilaca medudjelovanja,
tzv. kvanata polja.  
19
12 fundamentalnih cestica
Nije jasno zašto ove postoje
Problem Priroda koristi ove 4 cestice
t
u
c
quark
s
b
d
nm
ne
nt
leptons
e
m
t
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
19
20
Standardni model
21
Fundamentalne cestice
22
Standardni model
Okvir koji sadrži

• Materija
• 6 kvarkova
• 6 leptona
• Grupirani u 3 generacije
• Sile
• Elektroslaba
• g (foton)
• Z0, W
• Jaka
• g (gluon)

Nema gravitacije! Još nema kvantne teorije
Gravitacionog polja!
H nedostajuca cestica Higgs-ov Bozon
Ovaj model je veoma dobar za opisivanje svega do
sada uocenog u subatomskom svijetu. Ali tu mora
biti neceg mnogo više!
23
Klasifikacija je zasnovana na 4 (3) temeljna
medudjelovanja u prirodi  1.Kvanti
elektromagnetnog i slabog nuklearnog polja
(tzv.elektroslabo polje) Toj skupini cestica
pripadaju foton i intermedijarni bozoni.
Foton je elementarna cestica, kvant
elektromagnetnog zracenja, koji se u vakuumu
krece brzinom svjetlosti c, nema masu, a sadrži
energiju E hf , gdje je h - Plankova
konstanta, a f - frekvencija
Intermedijarni bozoni su cestice velike mase (90
GeV/c2) i nosioci su slabe nuklearne sile.
Otkrili su ih Carlo Rubbia i Simon van der Meer
iz Evropskog nuklearnog centra u Ženevi (Cern),
koji su za to otkrice dobili 1984.godine Nobelovu
nagradu.
24
2.Leptoni Leptoni dolaze od grcke rijeci
leptos što znaci sitan ili tanak. Leptoni su
lagane elementarne cestice koji ne reagiraju na
jaku silu pa djeluju slabim nuklearnim silama.
Imaju naboj 1 (osim neutrina koji su neutralni).
Karakterizira ih zakon ocuvanja leptonskog broja
- zbir leptona (leptonski broj 1) i antileptona
(leptonski broj -1) koji ulaze u reakciju jednak
je broju leptona koji iz nje izlaze. Spin im je
1/2 te poštuju Paulijev princip iskljucivosti.

Leptoni su elektron, tri vrste
neutrina, mion i cestica t Mion možemo shvatiti
kao teški elektron. Masa mu je bliska masi piona
i kad je pronaden smatralo se da je to mezon.  
25
3.Hadroni Hadroni dolaze od grcke rijeci
hadros što znaci jak , snažan. Hadroni su teške
elementarne cestice. Oni medudjeluju jakom
nuklearnom silom koja je najjaca u prirodi.
Tipicni hadroni su nukleoni tj. neutron i
proton. Hadroni su prema masi podijeljeni ma -
mezone (mase izmedu e i p)
- barione
(tj.one koje su teški) Danas ta podjela nije više
opravdana! Bolja je podjela koja kaže Mezoni su
oni hadroni ciji je spin 0 ili cjelobrojni
višekratnik h/2p. Barioni tj. nukleoni i hiperoni
imaju spin jednak neparnom višekratniku
(h/2p),tj. ½ (h/2p) , 3/2(h/2p) Vrijednost
spina odreduju statisticka svojstva
cestica Bozone odreduje Bose-Einsteinova
statistika, a fermione Fermi-Diracova statistika.
26
Slaba interakcija

• U 60-tim godinama prošlog vijeka Glašou (Sheldon
  Glashow), Vajnberg (Steven Weinberg) i Abdus
  Salam su predvidjeli da postoje cestice, koje su
  oni nazvali W (za weakslab) i Z i da su one
  odgovorne za slabu interakciju.
• Te cestice su uocene.

Abdus Salam (1926-1996)
Sheldon Glashow (1932- )
27
Graviton

• Sugerisano je da postoje cestice
• Nazvane gravitoni koje su
• odgovorne za gravitacionu
• interakciju.
• Graviton je medijator gravitacije u kvantnoj
  teoriji polja i postuliran je radi uspjeha fotona
  u kvantnoj teoriji elektrodinamike.
• Graviton mora biti bez mase , mora putovati
  brzinom svjetlosti, imati spin 2, i mora
  intereagovati sa svim cesticama koje imaju
  masu-energiju.
• Graviton nikada nije bio uocen zbog njegove
  izuzetno slabe interakcije sa objektima.

28
4 sile u prirodi

• Slaba
• Bete raspad

• Elektromagnetna
• TV, PCs
• Magneti
• e- e stvaranje

Slab naboj
Elektricni naboj

• Jaka
• Vezanje kvarkova

Gravitacija Odgovorna za našu stabilnost na
zemlji
Jak naboj
masa
29
Fundamentalne interakcije
Jedan od važnih ciljeva fizike cestica jeste da
unificira ove sile (da pokaže da su sve one samo
razliciti aspekti iste sile), kao što je to
Maksvel (Maxwell) uradio za elektricnu i magnetnu
silu prije mnogo godina.
30
Sila Jacina Nosilac Fizikalni efekat
Jaka nuklearna 1 Gluoni Drži na okupu jezgro
Elektromagnetna .001 Foton Svjetlo, elektricitet
Slaba nuklearna .00001 Z0,W,W- Radioaktivnost
Gravitacija 10-38 Graviton? Gravotacija
Subatomske cestice interaguju razmjenom bozon
cestica cjelobrojnog spina. Promjenjljive
interakcije odgovaraju da razmijene bozone
razlicitih karakteristika. Razmjena cestica je
odgovorna za silu.
31
Slaba sila - Beta raspad
n
p
Antineutrino
Electron
32
Fundamentalne interakcije
Konacni domet efektivno konfinira cestice koje,
zbog principa neodredenosti, imaju minimalni
impuls i stoga minimalnu kineticku energiju i
masu. Fotoni i gravitoni su bez mase, a W and Z
bozoni su teški.
33
Elektromagnetna sila
Odbojna sila koju osjecaju dva elektrona koji
se približavaju.
e-
e-
Foton je cestica koja se pridružuje
elektromagnetnoj sili.
Photon
34
Cestice sile
Cestice medudjeluju i/ili se raspadaju zbog
sila. Sile su takode odgovorne za vezivanje
cestica.
Jake gluoni Samo kvarkovi Slabe W, W-, Z0 Leptoni i kvarkovi (samo sila za neutrine)
Elektromagnetnag Kvarkovi i nabijeni leptoni (nema neutrina) Gravitacija graviton? Tek treba da se otkrije Ima zanemarljiv efekat na cestice.
35
Klasifikacija elementarnih cestica

• Cestice koje imaju polovican spin zovu se
  fermioni a one sa cjelobrojnim spinom se zovu
  bozoni.
• Ovo je koristan nacin klasifikacije elementarnih
  cestica jer izgleda da je sva stabilna materija u
  svemiru gradena od fermiona.
• Fermioni slijede Paulijev princip iskljucivosti,
  a bozoni ne.

• Fotoni, gluoni, W i Z se zovu gauge bozoni i
  odgovorni su za jake i slabe interakcije.
• Gravitoni su takode bozoni imaju spin 2.
• Fermioni djeluju privlacnom ili odbojnom silom
  jedan na drugog tako što izmjenjuju gauge bozone
  koji su nosioci sile.

36
Higgsov bozon

• Predviden je još jedan bozon, ali nije bio
  detektovan. Neophodan je u kvantnoj teoriji
  poljada bi objasnio zašto W i Z imaju tako
  veliku masu, a fotoni nemaju mase.
• Ovaj nedostajuci bozon se zove Higgsova cestica
  (ili Higgsov bozon) po Peteru Higgsu, koji ga je
  prvi predložio.
• Standardni model predvida da postoji polje koje
  se zove Higgsovo polje koje prožima cijeli
  prostor.
• Intereagujuci sa ovim poljem cestice dobijaju
  masu. Cestice koje jako interaguju sa Higsovim
  poljem imaju tešku masu cestice koje reaguju
  slabo imaju malu masu.

Simulirani dogadaj koji prikazuje pojavu
Higssovog bozona
37
Šta želimo da nademo u LHC?
Mr Higgs
Medu mnoštvom novih cestica za koje se nadamo da
cemo pronaci, jedna je posebno važna
HIGGS-ova cestica
Higgs-ov bozon je vrlo teška cestica i teško ju
je stvoriti. Pokušavaju da je nadu vec 20 godina
i misli se da su na pragu tog otkrica.
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
37
38
Osobine bozona
Higgs-ov bozon je veoma težak, a još nije
uocen. Potraga za Higgsovim bozonom je najveci
prioritet fizike elementarnih cestica.
39
Unifikacija osnovnih sila
Electricity
1864
Magnetism
Electromagnetism
1971
Light
Electroweak Interaction
Beta-decay
1976
Weak Interaction
Neutrinos
Standard Model
1965
Protons
1973
Neutrons
Strong Interaction
?
Pions, etc.
1687
1916
Earth Gravity
Universal Gravity
General Relativity
Celestial Mech.
Spacetime Geom.
40
Nakon standardnog modelaUnifikacija sila
(interakcija)
ELECTRO- MAGNETIC

UNIFIED FORCE?
STRONG
GRAVITY
WEAK
Potraga za jednostavnom elegantnom unificiranom
teorijom.
41
Leptoni elektroni, mioni, tau-cestice i neutrini

• Leptoni su vjerovatno najjednostavnije
  elementarne cestice.
• Pojavljuju se kao tackaste strukture, tj. kao da
  nemaju nikakvu unutrašnju strukturu i izgledaju
  zaista elementarno.

Do sada nema plauzibilne indikacije da su oni
sastavljeni od nekih više fundamentalnih cestica.
Svakom leptonu je pridružen jedan neutrino
nazvan prema svom naelektrisanom partneru (npr.,
mion neutrino). Postoji samo šest leptona plus
šest njihovih anticestica.
42
Mion i tau raspad

• Mion se transformira u elektron, a tau cestica
  može da se transformira u elektron, mion ili cak
  hadrone.
• Raspad miona (kroz slabu interakciju) je

43
Neutrino
.

• Neutrino nema naelektrisanja.
• Elektronski neutrino nastaje u beta-raspadu
  neutrona.
• Njihove mase su vrlo male. Tacna masa neutrina
  može uticati na postojece teorije vasione zbog
  gravitacionog privlacenja masa.
• Kao i svi drugi leptoni i neutrini imaju spin ½.
  Svatri neutrina su eksperimentalno potvrdeni.
• Neutrine je posebno teško detektovati jer nemaju
  naboja , a imaju veoma malu masu i interaguju
  veoma slabo (vrlo lako produ kroz zemlju!).

Slika sunca snimljena ne pomocu svjetlosti vec
pomocu neutrina, napravljena na japanskoj
neutrinskoj opservatoriji Super-Kamiokande
44
Neutrino

• Jedan od najintrigantnijih problema u posljednje
  tri decenije bio je problem solarnih neutrina
  broj neutrina koji stižu na Zemlju sa sunca je za
  faktor 2 ili 3 manji u odnosu na naše
  razumijevanje proizvodenja energije (nuklearna
  fuzija).
• Neutrini dolaze u tri varijante ili ukusa
  electronski, mionski i tau-neutrino. Naucnici su
  uocili da neutrini nastaju u Zemljinoj atmosferi
  pod uticajem kosmickih zraka i pri tome se
  mijenjaju tj. osciluju u drugi ukus (sunce
  emituje samo elektronske neutrine).
• Osim toga, ovo se može dogoditi samo ako neutrini
  imaju masu.

45
Hadroni

• Hadroni su cestice koje djeluju kroz jaku silu.
• Postoje dvije klase hadrona mezoni i barioni.
• Mesoni su cestice sa cjelobrojnim spinom sa masom
  koja je veca od mionove mase (106 MeV/c2).
  (Mezoni su napravljeni od parova kvarkova kvark
  i antikvark). Oni su nestabilni i rijetki.
• Barioni imaju mase bar kao protoni i imaju spin
  od pola cijelog broja. U barione spadaju proton i
  neutron od kojih se sastoji atomsko jezgro, ali
  postoje i mnogi drugi nestabilni barioni. Termin
  barion je izvedenod grckog ßa??? (baris), što
  znaci težak jer u vrijeme kad su ih imenovali
  vejerovalo se da barioni imaju vecu masu nego
  druge cestice. (Cine ih tri kvarka). Svi se
  barioni raspadaju na protone.

46
Kako nastaju nove cestice?
Korištenjem akceleratora. Cestice se ubrzavaju do
brzine svjetlosti i onda ih sudarate jedne sa
drugima.
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
46
47
Proizvodenje elementarnih cestica

• Da bi se proizveo Higsov bozon tj. omogucili
  sudari cestica koji su dovoljno snažni potrebni
  su akceleratori cestica izuzetne snage, bio je
  potreban veliki hadronski kolajder (the Large
  Hadron Collider) (LHC).

48
Akceleratori

• Protoni se ubrzavaju i sudaraju u LHC. Dva
  snopa putuju u suprotnim smjerovima.
• Elektricna polja daju ubrzanje jer se jer se
  isti odbijaju, a razliciti privlace.
• Magnetna polja upravljaju snopovima protona
  obzirom da se nabijene cestice u magnetnom polju
  krecu po kružnoj stazi.

magnets
49
Detekcija
Na cetiri mjesta duž LHC prstena protoni iz dva
suprotno-ubrzavajuca snopa se sudaraju.
ATLAS

• Koliziona energija kondenzira se u cesticama
  (e-, p, p)
• Detektori koji okružuju tacke sudara
  osjetljivi na prolazak energetskih cestica.

50
LHC _at_ CERN Cestice se ubrzavaju duž cirkularne
staze duge 27 kilometara koja se nalazi 100 m
ispod zemlje
Snopovi protona koji cirkuliraju ceono se
sudaraju 40 miliona puta svake sekunde.
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
50
51
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
51
52
Da li zaista postoji anti-materija
Svaka cestica ima svoju anticesticu sa suprotnim
karakteristikama.
Nicolo Cartiglia -INFN Torino
52
53
Cestice i anticestice Pojam anticestice je u
fiziku uveo Dirac svojom teorijom
elektrona. Danas su poznate anticestice gotovo
svih elementarnih cestica. Da bismo bolje
razumjeli što je anticestica, poslužit cemo se
crtežom na slijedecoj slici. Naime, kad je Dirac
pomocu svoje teorije postavio ispravnu jednadžbu
kretanja za elektron, uocio je da se ravnopravno
sa rješenjima s pozitivnom energijom javljaju i
rješenja s negativnom energijom. Rješenja
(stanja) pozitivne energije su realni svijet
elektroni koji se krecu u materiji i koje
opažamo. Ali šta su rješenja negativne energije?
Anticestice imaju istu masu i vrijeme život kao
njima pridružene cestice. Imaju istu velicinu,
ali suprotnog znaka kao što je elektricni naboj i
razni kvantni brojevi.
54

• I njima je Dirac htio-ne htio, morao dati
  fizikalno znacenje. Najjednostavnije je bilo reci
  da sva ta stanja takoder postoje, ali da su
  popunjena elektronima kad bi, naime, ta stanja
  bila prazna ili djelomicno popunjena, elektroni
  bi iz stanja pozitivne energije propadali u
  stanja negativne energije, kao što kuglice padaju
  u jamu (po nacelu minimuma potencijalne
  energije). Drugim rjecima, došlo bi do raspada
  Svemira, a to se u stvarnosti ne dogada.

55
Pozitron

• 1928. Dirac je uveo relativisticku teoriju
  elektrona kombinujuci kvantnu mehaniku i teoriju
  relativnosti.
• On je našao da njegova talasna jednacina ima i
  negativno i pozitivno rješenje vezano za
  energiju.
• Njegova teorija može da se interpretira kao
  vakuum koji je napunjen beskonacnim morem
  elektrona negativnih energija.
• Ako se dovoljno energije prenese u more moguce
  je da jedan elektron s pozitivnom energijom bude
  izbacen iz mora ostavljajuci iza sebe šupljinu
  koja je pozitron obilježen sa e.

Paul Dirac (1902-1984)
Elektron pozitron
Vacuum
0
E
56
Prva anticestica Dakle, P.Dirac je 1933.
postulirao postojanje cestica negativne energije,
te ih nazvao anticestice. Uz prvu anticesticu
vezana je zanimljiva okolnost da je najprije
predvidena a onda tek pronadena. Osnovna svojstva
elektrona izlazila su neposredno iz Diracove
teorije. Postojala je cinjenica da u toj teoriji
ima mjesta za još jednu cesticu. Drugim
rijecima, teorija gradena za potrebe opisivanja
jedne cestice, elektrona , ispala je preširoka za
elektron, ona obuhvaca elektron ali ostavlja
mogucnost postojanja još jedne cestice slicnih
svojstava. Upravo na mogucnost postojanja nove
cestice upozoravao je Oppenheimer.    
57

• Još iste godine Anderson je ulovio tu novu
  cesticu. Na fotografskoj ploci zapazio je trag
  nepoznatog gosta iz svemira (kozmicke zrake). Po
  otklonu u magnetnom polju bilo je sasvim
  nedvojbeno da je rijec o pozitivno nabijenoj
  cestici. Negativna bi se otklonila u drugu
  stranu. Zakrivljenost staze i debljina traga
  omogucuju da se utvrdi masa te cestice. I to je
  bilo u skladu s predvidanjem. Bio je to pozitron,
  anticestica elektrona. Mogli bismo ga zvati i
  antielektron.

58
Pozitron

• Sve cestice, cak i one neutralne (sa nekim
  izuzecima kakvi su neutralni pioni), imaju svoje
  anticestice.

• Carl Anderson je identifikovao pozitron u
  kosmickim zrakama1. To je bilo lako jer pozitron
  ima pozitivno naelektrisanje i malu masu.

Carl Anderson (1905-1991)
1Kosmicki zraci su visokoenergetske cestice,
vecinom protoni, koje presijecaju interstelarni
prostor i ulaze u Zemljinu atmosferu gdje njihovo
medudjelovanje sa cesticama stvara kosmicke
tuševe mnogih cestica.
Andersonova fotografija maglene komore sa tragom
pozitrona
59
Anihilacija Susret elektrona i pozitrona koban
je za oba. Oba nestanu, pretvore se u zracenje.
Tu pojavu zovemo anihilacija . Svaki za sebe, i
elektron i pozitron ne mogu se raspasti, ne mogu
se pretvoriti u zracenje. Svaki od njih nosi
elektricni naboj , a naboj je neuništiv pa tako i
elektron ili pozitron koji nose taj naboj.
Medutim, kada se elektron i pozitron nadu zajedno
ukupni je naboj jednak nuli, jer elektron je
negativan, a pozitron pozitivan ali jednake
kolicine naboja. Kad su zajedno, ukupni naboj bit
ce jednak nuli. Zracenje ce isto tako biti bez
naboja , pa ništa ne sprijecava da se elektron i
pozitron pretvore u bljesak, jednom rjecju
anihiliraju (ponište) . Veza izmedu mase i
energije dace nam energiju u koju ce se
pretvoriti elektron i pozitron. Sva energija
cestice i anticestice prelazi u energiju
zracenja.
60
Materija i antimaterija stvaranje parova

• Elektron-pozitron par stvoren tako što su fotoni
  udarali u tecnost gasne komore.
• To je primjer konverzije fotonske energije u
  materiju i anti-materiju.
• Spirale materije i anti-materije idu u suprotnim
  stranama u magnetnom polju radi suprotnog naboja.
  
• Energija i impuls su ocuvani.

61
Pozitron-Elektron Interakcija

• Krajnja sudbina pozitrona (anti-elektrona) je
  anihilacija sa elektronom.
• Nakon što se pozitron uspori prolazeci kroz
  materiju, privuce ga elektron Kulonovom silom i
  tako se anihilira kroz reakciju

Sva anti-materija na kraju ima istu sudbinu.
Puno energije se oslobodi u ovim procesima sva
materija se pretvori u energiju.
62
Uopštavanjem Diracove ideje za sve vrste polja
(a ne samo elektromagnetno) vidi se da svaka
cestica ima svoju anticesticu. Tako je
antiproton, proton negativnog naboja, pronaden
još 1955. godine, antineutron koju godinu kasnije
itd. Anticestice se ne moraju medusobno
razlikovati po naboju npr. neutronu suprotna
cestica, antineutron takoder nema naboja.
Najispravnije je reci da se cestica i
anticestica razlikuju u onom svojstvu koje je
karakteristicno za polje cija se energijska
stanja promatraju. Za elektromagnetno polje to je
elektricni.
63

• Opcenito sve anticestice navedenih cestica u svim
  tabelama imaju
• 1.Jednako masu ,spin, prosjecno trajanje( ili
  vrijeme
• života) , šemu raspada
• 2.Suprotno naboj, magnetski moment,moment
• kolicine kretanja, barionski
  broj,leptonski
• broj, stranost ...
• Anticestice su, dakle, fizikalna realnost i
  po svojoj materijalnosti su ravnopravne
  cesticama. U tom smislu treba i tablicu 1.
  dopuniti pripadnim anticesticama. Medutim,
  pitanje zašto u našem svemiru prevladavaju
  cestice jedne vrste, dok se pripadne anticestice
  mogu proizvesti samo uz znatan utrošak energije
  još je bez jasnog i sveobuhvatnog odgovora

64

• Tablica1.
• Svojstva cestica i anticestica

65
Fajnman-ovi Dijagrami

• Fajnman je predstavio posebno jednostavnu
  graficku tehniku kojom se opisuju interakcije.
• Ona predvida da, kada se dva elektrona
  približavaju, prema kvantnoj teoriji polja, oni
  razmijene serije fotona koji se zovu virtualni
  fotoni, jer ne mogu da se direktno opažaju.
• Akcija elektromagnetnog polja (na primjer
  Kulonove sile) može da se interpretira kao
  razmjena fotona. U ovom slucaju kažemo da su
  fotoni nosioci ili medijatori elektromagnetne
  sile.

Primjer Fajnmanovog prostor-vrijeme dijagrama.
Elektroni intereaguju kroz medijaciju fotona. Ose
se obicno ne stavljaju.
66
Jukavin (Yukawa) mezon

• Japanski fizicar Hideki Jukava je imao ideju da
  razvije kvantnu teoriju polja koja bi opisala
  silu izmedu nukleona analognu onoj sa
  elektromagnetnom silom.
• Da bi uradio ovo, morao je da odredi nosioce ili
  medijatore nuklearne jake sile analogno fotonu
  kod elektromagnetne sile koje je nazvao mezon
  (izvedeno iz grcke rijeci meso što znaci
  srednji radi njegove mase koja je izmedu masa
  elektrona i protona).

Hideki Yukawa (1907-1981)
67
Jukavin mezon

• Jukavin mezon, zvani pion (ili pi-mezon, tj.
  p-mezon), je identifikovan 1947. Uradili su to
  Pauel ( C. F. Powell (19031969)) i Ocialini (G.
  P. Occhialini (19071993)).
• Nabijeni pioni imaju mase od 140 MeV/c2, a
  otkriveno je kasnije da neutralni pion p0 ima
  masu od 135 MeV/c2..
• Jukavin pion je odgovoran za nuklearnu silu.

Fajnmanov dijagram koji predstavlja izmjenu piona
(Jukavinog mezona) izmedu neutrona i protona.
68
Drugi mezoni, kvarkovi i gluoni

• Nukleoni i mezoni dio opšte grupe cestica
  formirane od još više fundamentalnih cestica
  kvarkova (quarks). Cestica koja posreduje jaku
  interakciju izmedu kvarkova, zove se gluon
  (glue znaci ljepilo koje drži kvarkove
  zajedno) Ona je bez mase i ima spin 1, baš kao
  i proton.

Kompjuterska slika kvarkova i gluona u nukleonu
69
Cestice i njihovo vrijeme trajanja

• Životni vijek elementarnih cestica je takode
  indikator sila kojima djeluju.
• Cestice koje se raspadaju kroz jake interakcije
  obicno najkrace žive normalno za manje od 10-20
  s.
• Raspadi uzrokovani elektromagnetnom interakcijom
  opcenito imaju životni vijek reda velicine 10-16
  s.
• Raspadi kroz slabe interakcije su još sporije,
  duže od 10-10 s.

70
Zakljucak Foton, neutrino, elektron, proton i
odgovarajuce anticestice stabilne su
elementarne cestice. Ostale cestice se
spontano raspadaju i pretvaraju u druge cestice
(npr. mion se se spontano raspada u elektron,
antineutrino i mionski neutrino).