Cząstki elementarne
advertisement
Krótka podróż do krainy cząstek elementarnych Anna Kaczmarska IFJ PAN, Kraków 1 Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Uwaga! Ta podróż może zmienić Waszą wizję Wszechświata. To co usłyszycie może mieć wpływ na Wasze postrzeganie rzeczywistości. Nie śpijcie! Miejcie uszy i oczy szeroko otwarte! Zapnijcie pasy, wkraczamy w świat cząstek elementarnych... Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Z czego składa się świat? Już od zarania dziejów ludzi nurtowały pytania: "Z czego zbudowany jest świat?" Empedokles (V w. pne.) Arystoteles Demokryt (gr.) atomon = niepodzielny Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Czy atom jest najmniejszą cząstką materii? 1869 – Mendelejew układa swoją tablicę pierwiastków. Wniosek: atomy składają się z mniejszych elementów! 1900 – J. J. Thomson wierzy, że atom składa się z dodatnio naładowanej kuli w którą powkładane są jak rodzynki w cieście elektrony 1912 – Rutherford pokazuje że atomy zawierają jądro w swoim centrum. Elektrony orbitują wokół jądra Anna Kaczmarska, IFJ PAN 10 m -10 Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Z czego składa się jądro atomowe? Naukowcy początkowo myśleli, że jądro jest elementarne. Później odkryto, że budują je dodatnio naładowane protony oraz neutrony - cząstki elektrycznie obojętne. 10 -10 Jądro zawiera protony o ładunku +e i nienaładowane neutrony. m 10 -14 m Skala obrazka zła! Jeżeli protony i neutrony miałyby średnicę 10 cm, wówczas elektrony miałyby wielkość mniejszą niż 0.1 mm, a cały atom miałby średnicę około 10 km. Więcej niż 99,99% atomu to pusta przestrzeń! Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Czy protony i neutrony są elementarne? Neutrony i protony zawierają tzw. kwarki 2e + 3 -18 (<10 10 -15 1967 – eksperymenty w Stanford (SLAC) m proton (ładunek +1) u d 2 2 1 u u d p 1 3 3 3 Anna Kaczmarska, IFJ PAN m) u 1 - e 3 neutron (ładunek 0) u d d 2 1 1 u d d n0 3 3 3 Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Z czego zbudowany jest wszechświat? Elektron proton neutron Czy cały wszechświat jest zbudowany tylko z tych 2 kwarków i elektronów? Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Z czego zbudowany jest wszechświat? Nie! Są także NEUTRINA! Elektrony, protony i neutrony są rzadkością! Stosunek ilości neutrin do tych cząstek jest jak miliard do jednego Neutrina są najliczniejszymi cząstkami materii we Wszechświecie! Przez Wasze ciała w każdej chwili przechodzi około 30 milionów neutrin z Wielkiego Wybuchu i 100 bilionów neutrin ze Słońca Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Podsumowanie: cząstki budujące nasz świat Ładunek 0 Leptony: neutrino e = elektron +2/3 u e -1 e -1/3 d Kwarki: u = górny d = dolny Cała stabilna materia wokół nas składa się z elektronów, neutrin, kwarków u i d Ale czy to naprawdę wszystkie cząstki? Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Najbardziej elementarne cząstki – obecny stan wiedzy • Badanie promieniowania kosmicznego oraz eksperymenty na akceleratorach zaowocowały odkryciem olbrzymiej liczby cząstek – większość z nich nie jest elementarna • Opracowano teorię, która dość dokładnie opisuje nasze obserwacje i wszystkie odkryte cząstki • ta teoria to Model Standardowy • W modelu tym do zbudowania wszystkich zaobserwowanych cząstek potrzeba tylko 6 kwarków i 6 leptonów Kwarki Górny Dolny Powabny Dziwny Anna Kaczmarska, IFJ PAN Leptony Szczytowy Spodni Elektron Neutrino elektronowe Mion Neutrino mionowe Taon Neutrino taonowe Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Trzy Rodziny lub Generacje Pierwsza generacja e 0 -1 e Druga generacja +2/3 u -1/3 d Zwykła materia 0 -1 - c s Trzecia generacja +2/3 -1/3 0 -1 +2/3 t b -1/3 Akceleratory Promieniowanie kosmiczne masa 3 generację są we wszystkim bardzo podobne, ale nie w masie! Cała widzialna materia złożona jest z cząstek pierwszej generacji. Cząstki 2 i 3 generacji są niestabilne i rozpadają się na cząstki pierwszej generacji. Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Ale co scala te składniki materii? Występują cztery rodzaje fundamentalnych oddziaływań pomiędzy cząstkami. Wszystkie zjawiska fizyczne występujące w naszym świecie mogą być przypisane tym czterem oddziaływaniom. Wszystkie te oddziaływania są wynikiem wymiany cząstek przenoszących oddziaływanie, które są zupełnie innym rodzajem cząstek niż leptony i kwarki. Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Oddziaływanie Elektromagnetyczne Oddziaływanie pomiędzy naładowanymi elektrycznie ciałami. Tworzy atomy i formuje cząsteczki, dzięki czemu mogło dojść do stworzenia materii. Nośnikiem siły elektromagnetycznej jest foton Fotony o różnych energiach tworzą widmo fal elektromagnetycznych: promieni rentgenowskich, światła widzialnego, fal radowych, itd. Fotony mają zerową masę, zerowy ładunek elektryczny i podróżują z „prędkością światła” w próżni. Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Oddziaływanie Słabe Oddziaływania słabe są odpowiedzialne za rozpad ciężkich kwarków i leptonów na lżejsze kwarki i leptony (np. promieniotwórczy rozpad beta) Jedyna stabilna materia otaczającego nas świata zbudowana jest z najlżejszych kwarków i leptonów, które nie mogą się już dalej rozpaść. Neutron (swobodny) żyje ok. 15 min To prawie „wieczność” w świecie cząstek elementarnych! oddziaływania “słabe” Procesy „słabe” = małe prawdopodobieństwo, więc „powoli” zachodzą. Dlatego Słońce świeci od 5 miliardów lat i rozwinęło się życie! Cząstki przenoszące oddziaływanie słabe to: bozony W+, W- i Z0. Cząstki W są naładowane elektrycznie, podczas gdy cząstka Z jest elektrycznie obojętna. Wszystkie 3 bozony mają masę spoczynkową równą kilkudziesięciu masom protonu. Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Oddziaływanie Silne Jądro atomowe składa się ze stłoczonych w małej objętości protonów. To oddziaływania silne sprawiają, że jądro nie rozpada się! Oddziaływanie silne zespala kwarki, które tworzą hadrony (protony, neutrony). Cząstki nośnika siły nazwano gluonem ponieważ pełni on rolę bardzo mocnego kleju zespalającego kwarki. Z powodu właściwości oddziaływań silnych kwarki nie mogą występować pojedynczo. Dlatego też są one uwięzione w grupach (hadronach) wraz z innymi kwarkami. Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Oddziaływanie Grawitacyjne Powoduje, że jabłko spada na ziemię, łączy materię w planetach i gwiazdach, łączy gwiazdy w galaktyki. Model Standardowy nie opisuje tego oddziaływania (brak kwantowej teorii pola) ! Na szczęście efekty grawitacji są znikome na poziomie cząstek elementarnych. Hipotetyczną cząstką przenoszącą oddziaływania grawitacyjne byłby grawiton Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Model Standardowy Materia • 6 kwarków • 6 leptonów Zgrupowanych w 3 generacje Oddziaływania • Elektromagnetyczne: (foton) • Słabe: - Z0, W± • Silne - g (gluon) Nie ma grawitacji! Świetnie opisuje prawie wszystkie zaobserwowane zjawiska. Ale nie odpowiada na szereg pytań!!! Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Pytanie 1: Dlaczego cząstki elementarne mają masę? – Mamy odpowiedź! I czemu widzimy różnice w ich masach? Odpowiedź: Cząstka Higgsa Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Cząstka Higgsa Cząstka Higgsa – zaproponowany w 1964 roku przez prof. Petera Higgsa żeby “ratować” Model Standardowy Zaproponował on specjalne pole (pole Higgsa) wypełniające wszechświat. Różne masy cząstek są miarą ich oddziaływania z tym polem (im silniejsze jest oddziaływanie z polem, tym większą masę uzyskuje cząstka). Cząstka związana z tym polem to cząstka Higgsa. Odkryta! Eksperymenty ATLAS i CMS na LHC, 2012 Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Jak działa pole Higgsa Aby zrozumieć działanie pola Higgsa, wyobraźcie sobie, że pokój pełen spokojnie gawędzących fizyków jest jak przestrzeń wypełniona polem Higgsa ... Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Jak działa pole Higgsa Znany naukowiec wchodzi do pokoju zakłócając panujący w nim spokój. Z każdym krokiem przyciąga grupkę swoich wielbicieli. Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Jak działa pole Higgsa Zwiększa to opór jego ruchu. Innymi słowy nabywa on masy, podobnie jak cząstki przemierzające pole Higgsa ... Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Pytanie 2: zagadka antymaterii Dla każdej cząstki Istnieje antycząstka górny elektron Anty-górny pozyton dolny Neutrino elektronowe Anty-dolny Anty-neutrino elektronowe Cząstki i antycząstki maja przeciwne właściwości np. ładunek elektryczny Kiedy materia i antymateria się spotkają - anihilują. Ich masa zamienia się w energię według wzoru Eisteina: E = mc2 duża liczba! Masa 1kg zawiera energię 90 milionów gigadżuli tyle konsumuje cały świat przez 90 min Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Gdzie podziała się antymateria? Istniejemy ponieważ wokół nas nie ma antymaterii Ale nie zawsze tak było! 14 miliardów lat temu, gdy powstał nasz Wszechświat materia i antymateria została wyprodukowana w równych ilościach 10,000,000,000 10,000,000,000 Więc wszystko powinno zanihilować! Zamiast tego… Jakieś procesy rozróżniają pomiędzy cząstkami i antycząstkami! Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Pytanie 3: ciemna materia? Astronomia mówi nam, że: Normalna, widzialna materia (gaz intergalaktyczny, gwiazdy etc) to tylko 5% wszechświata! Reszta to ciemna materia (25%) – jej obecność stwierdzamy poprzez jej wpływ na ruchy gwiazd i galaktyk; I ciemna energia (70%) – z przyspieszającej ekspansji Wszechświata; związaną jest z „tajemniczą siłą odpychania“ działającą przeciwnie jak grawitacja Czyli po ponad 100 latach badania naszego Wszechświata rozumiemy tylko jego 5%! Kandydat na ciemna materię: cząstki supersymetryczne Teoria supersymetrii przewiduje, że każda cząstka ma swojego „super-parnetra” Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Pytanie 4: Teorie wielkiej unifikacji Znane nam oddziaływania mają różną siłę i efekty. Zgodnie z teoria wielkiej unifikacji przy dostatecznie dużych energiach wszystkie rodzaje oddziaływania nie byłyby od siebie różne, stanowiąc przejaw istnienia jednej, bardziej od nich podstawowej siły fizycznej. Elektromagnetyczne Grawitacja Zunifikowane oddziaływanie Silne Słabe Prace nad prostą i elegancką teoria wciąż trwają Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Czego się nauczyliśmy • Kilku zadziwiających rzeczy: – Żeby zbudować cały nasz wszechświat potrzebujemy zaledwie 4 oddziaływań i 12 cząstek materii – Teoria opisująca te oddziaływania i cząstki, zwana Modelem Standardowym doskonale opisuje wszystkie zaobserwowane zjawiska świata cząstek – Ale wiemy, że nie na wszystkie pytania mamy odpowiedzi: brakująca antymateria, ciemna materia, unifikacja oddziaływań itd. – Poszukiwania odpowiedzi trwają! NOT Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Dodatkowe slajdy dla ciekawskich Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Hadrony, Bariony, Mezony Podobnie jak stadnie żyjące słonie, kwarki żyją w grupach wraz z innymi kwarkami i nigdy nie występują one samotnie. Cząstki złożone z kwarków to: Mamy dwa rodzaje hadronów: ...są hadronami, w których skład wchodzą trzy kwarki protony (uud), neutrony (udd), itd. Anna Kaczmarska, IFJ PAN ...zawierają jeden kwark i jeden antykwark . pion (u i antykwark d), itd. Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Leptony Kwarki są towarzyskie i występują tylko w cząstkach złożonych wraz z innymi kwarkami, podczas gdy leptony są cząstkami-samotnikami. Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Czy tylko proton, neutron i elektron? Docierające do nas promieniowanie kosmiczne (głównie protony) wywołuje kaskady cząstek w atmosferze -> mogą powstawać nowe cząstki! Naładowane cząstki zostawiają ślady na np. kliszach fotograficznych, komorach pęcherzykowych i mgłowych. Dzięki temu można było się dowiedzieć, że elektron i proton nie są jedynymi cząstkami naładowanymi w przyrodzie! 1936 – cząstka 200 razy cięższa od elektronu – mion. I się rozpada! 1947 – długo oczekiwany pion (Yukawa, 1934) 1949 – mezony K – pierwsze cząstki dziwne itd. Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Rozpad bozonu Higgsa na miony Mion Z Antymion Higg s Mion Z Miony i antymiony są długożyciowymi cząstakami i mogą być zaobserwowane w detektorze. Antymion Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Jednostki używane w fizyce cząstek Jednostka energii [E] = 1 eV (elektronovolt) energia jaką elektron zyskuje będąc przyspieszany przez różnicę potentciału 1 Volta (w próżni). 1 eV około 1.602 x 10-19 J Typowe energie w procesach atomowych (reakcje chemiczne lub emisja światła) są rzędu kilku eV. Energia elektronów w kineskopie telewizora jest rzędu 20 tys. eV (20 keV). Energie w procesach jądrowych (jak rozpady radioaktywne) są rzędu 1 miliona electronovoltów (1 MeV). Najwyższe energie są otrzymywane obecnie na akceleratorze LHC przyspieszających protony do 3.5 tryliona electronovoltów (1 TeV =1012 eV). Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Tom Hanks Question When Tom Hanks visited ATLAS at CERN, he asked about what would keep his coffee cup warm. If all the antimatter being produced in the ATLAS Experiment were somehow put into his cup, it would raise the temperature about 1° C (2 F°) per hour. But of course it would cool by about 10° during that hour. 35 Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Pytanie : A co z grawitacja? Electromagnetism is confined to our usual three dimensions of space Maybe Gravity sees the other dimensions of space. As the force is spread out, it is weakened. gravity electromagnetism 36 Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Unifikacja oddziaływań Limit eksperymentalny Strong Force Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15 Rozwiązanie? Próba odtworzenia Wielkiego Wybuchu! Jak? Akceleratory! Anna Kaczmarska, IFJ PAN Warsztaty „Podstawy fizyki cząstek”, 16.05.15
