Kwarki

Big Bang
teraz
Atomy
 protony, neutrony i
elektrony
 99.999999999999%
atomu jest pusta
 Elektrony są tam, gdzie
prawdopodobieństwo ich
znalezienia jest
największe
 W jadrach sa protony i
neutrony
jądro
mp = 1836 me
Leptony
 Elektron - przykład leptonu – cząstki, która
ma rozmiary punktowe
 Neutrina są też leptonami
 Istnieją 3 generacje leptonów, każdy ma
cząstkę obdarzoną masą i bezmasowe(?)
neutrino
 Każdy lepton ma anty-lepton (np.elektron i
pozyton)
 Cięższe leptony ulegaja rozpadowi na lżejsze
leptony plus plus neutrina (liczba leptonowa
musi być zachowana)
Typy Leptonów
Lepton
Ładunek
Elektronowe 0
neutrino
Elektron
-1
Masa
(GeV/c2)
0
0.000511
Muonowe
neutrino
0
0
Muon
-1
0.106
Tau neutrino 0
0
Tau
175
-1
Kwarki
 Protony i neutrony są
zbudowane z
mniejszych cząstek
 Są to “kwarki”, (Murray
Gellman - James
Joyce “three quarks
for Muster Mark”
 Każdy kwark ma swój
anty-kwark
Współczesny
obraz atomu
Rozmiary atomowe
 Atomy 10-10 m
 Jądra 10-14 m
 Protony 10-15 m
 Elektrony i kwarki 1000
razy mniejsze od
protonu
Typy kwarków
Zapach
Ładunek
Masa
(GeV/c2)
Up
2/3
0.003
Down
-1/3
0.006
Charm
2/3
1.3
Strange
-1/3
0.1
Top
2/3
175
Bottom
-1/3
4.3
 Kwarki występują w 3
generacjach
 Materia jest zbudowana
z 2 najlżejszych kwarków
Kwarki
Up, down, charm, strange, top and bottom
Świat jest zbudowany z kwarków i leptonów…
Kwarki
 Cząstki zbudowane z
kwarków to hadrony
 3 kwarki tworzą bariony
(np. protony i neutrony)
 kwark i antykwark mogą
tworzyć mezon (piony
and kaony)
proton
mezon
 Ładunki kwarków dodają się tak, że wypadkowy
ładunek hadronów jest całkowity.
Ładunek elektryczny
Kwarki są jednym z rodzajów cząstek materii. Większość materii, która nas otacza,
jest zbudowana z protonów i neutronów, które z kolei składają się właśnie z kwarków.
Mamy sześć kwarków, pogrupowanych w trzy
pary :
Górny - dolny (up/down),
Powabny - dziwny (charm/strange)
prawdziwy - piękny (truth/beauty). jednak obecnie w języku angielskim używa się
innych nazw: top/bottom.
Kwarki mają niezwykłą własność - ich ładunek elektryczny jest ułamkowy,
2
1
 e lub 
3
3
w przeciwieństwie do protonu i elektronu, mających odpowiednie ładunki +1 i -1.
Najtrudniej uchwytny kwark, prawdziwy, został odkryty w roku 1995.
Ładunki kolorowe
 Każdy kwark ma ładunek
kolorowy a antykwark – ładunek
antykolorowy
 Czastki zbudowane z kwarków nie
mają ładunku kolorowego
(R+B+G lub kolor + anty-kolor
Wymiana gluonu
 Kwarki w jądrze wymieniają gluony
Kwarki oprócz ładunku elektrycznego posiadają jeszcze inny rodzaj ładunku,
zwany ładunkiem kolorowym. Siły pomiędzy cząstkami naładowanymi
kolorowo są bardzo silne, stąd też wywodzi się nazwa przyjęta dla tego
oddziaływania:
Oddziaływanie silne
•Oddziaływanie silne zespala kwarki,
które tworzą hadrony.
• Cząstki nośnika siły nazwano gluonem
ponieważ pełni on rolę bardzo mocnego
kleju zespalającego kwarki("glue" w
języku angielskim oznacza klej).
• Istnieje 8 gluonów
Oddziaływanie silne pomiędzy kwarkami w jednym
protonie i kwarkami w innym protonie jądra jest
wystarczająco duże, by przezwyciężyć odpychającą
siłę elektromagnetyczną pomiędzy tymi protonami.
Efekt ten nazwano resztkowym oddziaływaniem
silnym, i jest to właśnie to, co "skleja" (glue - ang.
sklejać) jądro atomowe.
Jak działa ładunek kolorowy?
Ładunek kolorowy zachowuje się inaczej niż ładunek
elektromagnetyczny. Gluony posiadają ładunek kolorowy, co
jest dość dziwne, gdyż fotony (nośniki siły ektromagnetycznej)
nie mają ładunku elektromagnetycznego. Podczas gdy kwarki
mają ładunek kolorowy, to całkowity ładunek kolorowy
cząstek złożonych z kwarków wynosi zero (są one kolorowo
obojętne). Z tego powodu oddziaływanie silnie występuje tylko
na bardzo małych odległościach pomiędzy kwarkami i dlatego
w życiu codziennym siły tej w ogóle nie widzimy.
Kwark emituje gluon
 Ładunek kolorowy
jest zachowany
 Gdy czerwony
kwark emituje
czerwony/antyniebieski gluon staje
się kwarkiem
niebieskim
Siły atomowe
 Elektrony są związane z
jądrem siłą Coulomba
(elektromagnetyczna)
 Protony w jądrze są
utrzymywane dzięki
oddziaływaniu silnemu
 Neutrony emitują cząstki beta
zamieniają się w proton
poprzez słabe oddziaływanie
jądrowe.
F = k q 1 q2
r2
n=p+e+n
Oddziaływania słabe są odpowiedzialne za rozpad
ciężkich kwarków i leptonów na lżejsze kwarki i leptony.
Cząstki przenoszące oddziaływanie słabe to:
bozony W+, W- i Z.
Cząstki W są naładowane elektrycznie, podczas gdy cząstka
Z jest elektrycznie obojętna.
proton
d
U
d

1
3
u

2
3
+
 e 1  e
+
Anihilacja elektronu
Oddziaływania
fundamentalne
 Oddz. grawitacyjne i
elektromagnet. są
dlugozasięgowe
 Silne i słabe oddz. są
krótkozasięgowe (<10-14 m)
 Słabe oddz. jest ok. 10-8 razy
słabsze od silnego
Nośniki oddziaływań
g
 Foton jest nośnikiem
oddziaływania
elektromagnetycznego
miedzy ładunkami.
 Gluon jest nośnikiem
oddz. silnego między
ładunkiem kolorowym
kwarków
Nośniki oddziaływań
 Rozdzielenie dwóch
powoduje powstanie
następnych (energia pola
kolorowego rośnie dopóki
nie utworzą się 2 nowe
kwarki)
 Nośnikami oddz. słabego
są bozony W i Z ; cięższe
kwarki i leptony ulegają
rozpadowi na lżejsze
wymieniając zapach.
Unifikacja oddziaływań
 Oddz. słabe i elektromagnet. – oddz.
elektrosłabe. Mają podobne działanie
na odległościach rzędu 10-18 m

Oddz. słabe jest słabsze od oddz. em. na
większych odległościach, bo bozony W i Z
są cieżkie a fotony nie mają masy
 GUT ? (“Grand Unified Theories)
Grawitacja
 Nośnik – grawiton – narazie nie
zaobserwowany
 TOE? (“Theory of Eveything”) połaczenie OTW i 3 rodz. oddziaływań.
Oddziaływania
Spin
 Musi być zachowany podczas oddziaływań cząstek!!
 Spin połówkowy - “fermiony”
 Spin całkowity - “bozony”
* Graviton
ma spin 2
Liczby kwantowe
 Ładunek elektr. (ułamkowy dla kwarków,
całkowity dla wszystkich pozost.)
 Spin (połówkowy lub całkowity)
 Ładunek kolorowy (wszystkie cząstki
neutralne )
 Zapach (rodzaj kwarka)
 Liczba leptonowa (elektron, muon lub tau)
 Fermiony ( zakaz Pauliego)
 Bozony
Model Standardowy
 6 kwarków (i 6 anty)
 6 leptonów (i 6 anty)
 4 siły
 Nosniki oddz. (g, W+, W-, Zo, 8 gluonów,
grawiton)
Unification of Fundamental
Forces
Electricity
Magnetism
Light
Electromagnetism
Electroweak Interaction
Beta-decay
Weak Interaction
Neutrinos
Standard
Model
Protons
Neutrons
Strong Interaction
?
Pions, etc.
Earth Gravity
Universal Gravity
Celestial Mech.
Spacetime Geom.
General
Relativity