Energi Och Materia? - KTH Particle and Astroparticle Physics
Energi Och Materia? - KTH Particle and Astroparticle Physics
Energi Och Materia? - KTH Particle and Astroparticle Physics
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Energi</strong> och <strong>Materia</strong>?<br />
E = mc 2
Fyra olika krafter?<br />
Partikelfysiker studerar elementarpartiklar, hur de uppför<br />
sig och hur dom växelverkar med var<strong>and</strong>ra.<br />
Antag<strong>and</strong>e: Det finns (minst) fyra olika och fundamentala<br />
krafter<br />
Bakgrund och motivering: Vi kan namnge fyra krafter som<br />
observeras experimentellt<br />
Gravitationskraften<br />
Elektromagnetiska kraften<br />
Svaga kärnkraften<br />
Starka kärnkraften
Krafter som verkar<br />
på olika avstånd<br />
Gravitationskraften<br />
Elektromagnetiska kraften<br />
Svaga kärnkraften<br />
Starka kärnkraften
Krafter som verkar<br />
på olika avstånd
Partiklar och krafter<br />
Den elektromagnetiska, svaga <strong>and</strong> starka<br />
kraften förmedlas av speciella<br />
elementarpartiklar, ”gauge bosons”:<br />
KRAFT<br />
BOSON REPR.<br />
Electromagnetisk<br />
foton (ljuskvanta)<br />
Svaga kärnkraften W + , W - , Z 0<br />
Starka kärnkraften<br />
gluon (åtta olika)
Partiklar och krafter
Gravitationen<br />
En kraft vars effekt, i första<br />
h<strong>and</strong>, manifesterar sig mellan<br />
makroskopiska föremål och som<br />
är dominer<strong>and</strong>e i vår vardag:<br />
• Saker och ting faller till marken<br />
om man släpper dem; en lätt<br />
fjäder faller lika fort som ett<br />
tyngre äpple
Gravitationen<br />
Planeter, asteroider och<br />
kometer går i banor<br />
runt solen pga gravitationens<br />
attraktionskraft. I<br />
mikrokosmos och för<br />
elementarpartiklar particles<br />
spelar gravitationen ingen<br />
större roll, det är de tre <strong>and</strong>ra<br />
krafterna som är avgör<strong>and</strong>e.
Den elektromagnetiska kraften<br />
En kraft som verkar mellan föremål med<br />
elektrisk laddning och sam kan verka<br />
attraher<strong>and</strong>e eller repeller<strong>and</strong>e. Kraften är<br />
starkare för större laddningar och för<br />
kortare avstånd.<br />
• Inom kemin är det den elektriska<br />
attraktionen eller repulsionen som<br />
dominerar. Detta gäller för<br />
vattenmolekylen här såväl som för alla<br />
<strong>and</strong>ra mera komplicerade molekyler
Den elektromagnetiska kraften<br />
Elektriska kraftsystem, elektriska<br />
system som radioapparater,<br />
datorer osv är alla beroende av<br />
den elektromagnetriska kraften<br />
för att driva elektriska laddningar<br />
från en plats till en annan.
Den svaga kärnkraften<br />
Är den kraft som svarar för det<br />
radioaktiva sönderfallet. I<br />
vardagslivet hör vi talas om<br />
den i samb<strong>and</strong> med:<br />
• Radioaktivitet från<br />
kärnenergianläggningar och<br />
kärnvapen<br />
• Gamla klockor med självlys<strong>and</strong>e<br />
urtavlor innehåller oftast<br />
radioaktiva ämnen (Radium)<br />
• Rökdetektorer och br<strong>and</strong>varnare<br />
inneåller radioaktiva ämnen
Den starka kärnkraften<br />
Den Starka Kärnkraften<br />
svarar för att neutronen och protoner hålls samman och<br />
bildar olika grundämnen. Kraften är uppenbarligen<br />
starkare än den elektromagnetiska kraften eftersom ett<br />
flertal protoner kan hållas samman i kärnor trots den<br />
repeller<strong>and</strong>e kraften mellan lika laddning.<br />
Från vardagslivet kan vi konstatera:<br />
• Protoner finns<br />
• Atomer som är mer komplicerade än väte finns!
Den allmänna<br />
uppfattningen idag är<br />
att kvarkar och<br />
ytterliggare tre<br />
partikel grupper,<br />
nämligen, leptoner,<br />
bosons, och Higgs<br />
boson är<br />
fundamentala och<br />
kan inte delas i något<br />
mindre.<br />
Elementarpartiklar
Elementarpartiklar<br />
och St<strong>and</strong>ardmodellen<br />
• 1970 utvecklade Weinberg,<br />
Glashow och Salam en modell of<br />
för elementarpartiklarna.<br />
Modellen kom att kallas för ”the<br />
st<strong>and</strong>ard model of particle<br />
physics”, och har varit till stor<br />
nytta för att förstå<br />
elementarpartiklarnas<br />
egenskaper och krafterna i<br />
universum.<br />
Protonen och<br />
neutronen<br />
består av<br />
kvarkar
Vår vardagsvärld kan vi<br />
beskriva med en kvartett:<br />
Upp kvark elektron<br />
Ner kvark neutrio<br />
Tre familjer med kvarkar<br />
och leptoner<br />
För att förklara astrofysikaliska<br />
fenomen och universums skapelse<br />
behövs en kvartett till:<br />
Charm kvark myon<br />
Särkvark<br />
neutrio<br />
De ovanliga fenomen som skapas i<br />
partikelfysikernas laboratorier kräver<br />
en tredje famil:<br />
Top kvark<br />
myon<br />
Bottom kvark neutrion
”Innestängda kvarkar”<br />
Fysikerna har bara funnit kvarkar och gluoner ”fångade”<br />
innuti baryoner och mesoner. Ingen har funnit några<br />
enskilda kvarkar ”ute i det fria” för sig själva. Teorin<br />
som beskriver kvarkar och gluoner, kallas Quantum<br />
Chromodynamics (eller QCD kort och gott).<br />
Huvuddragen i teorin är:<br />
• Kvarkar är bärare av<br />
färg<br />
• Anti-kvarkar är<br />
bärare av anti-färg<br />
• Gluoner är bärare av<br />
en färg och en antifärg
”Senaste kvarknytt”
”Senaste kvarknytt”<br />
By Dr David<br />
Whitehouse<br />
BBC News Online<br />
science editor<br />
Physicists<br />
have<br />
discovered a<br />
new class of<br />
subatomic<br />
particle that<br />
will provide<br />
unexpected<br />
insights into<br />
the<br />
fundamental<br />
building<br />
blocks of<br />
matter.<br />
Behold the pentaquark<br />
Theory predicted where the particle<br />
should emerge<br />
The discovery involves quarks -<br />
particles that make up the protons<br />
<strong>and</strong> neutrons usually found in the<br />
nuclei of atoms.<br />
The new particle is the so-called<br />
pentaquark - five quarks in<br />
formation. Until now, physicists had<br />
only seen quarks packed into twoor<br />
three-quark combinations.<br />
They say the discovery of this new<br />
particle should have far-reaching<br />
consequences for our<br />
underst<strong>and</strong>ing of how the Universe<br />
is put together.
”Senaste kvarknytt”<br />
Although not forbidden by the st<strong>and</strong>ard model of<br />
particle physics, other configurations of quarks<br />
had not been found until now. The "pentaquark"<br />
particle, with a mass just above 1.5 GeV, was<br />
discovered in the following way. At the SPring-8<br />
facility a laser beam is scattered from a beam of<br />
8-GeV electrons circulating in a synchrotron<br />
racetrack. These scattered photons constitute a<br />
beam of powerful gamma rays which were<br />
scattered from a fixed target consisting of<br />
carbon-12 atoms.
Leptoner<br />
• Leptoner indelas i två<br />
grupper: partiklar som<br />
har elektrisk laddning och<br />
neutrala partiklar, sk<br />
neutrinos.<br />
• Det finns tre familjer av<br />
kvarkar och leptoner och<br />
varje familj består av en<br />
laddad lepton och en<br />
neutrino.
Leptoner<br />
• I den första familjen<br />
hittar vi elektronen (e-)<br />
och elektronens neutrino;<br />
• I den <strong>and</strong>ra familjen<br />
hittar vi myon (μ) och<br />
muon neutrinon; och<br />
• I den tredje familjen<br />
hittar vi tau (τ ) och tau<br />
neutrinon.
Gluoner<br />
• Gluoner är de<br />
elementarpartiklar som svarar<br />
för den starka växelvekan.<br />
• Gluoner är masslösa och har<br />
ingen elektrisk laddning. Dom<br />
tillhör en klass av partiklar<br />
som kallas bosoner, efter<br />
Satyendra Nath Bose (och<br />
Albert Einstein).<br />
• Bosoner, som gluonerna, kallas<br />
”force carriers”.
Gluoner<br />
• Gluonerna och den starka<br />
kraften svarar för att<br />
protoner och neutroner hålls<br />
samman i atomkärnan.<br />
• Exempel på <strong>and</strong>ra ”force<br />
carriers” är fotons, som svarar<br />
för den elektromagnetiska<br />
kraften, och gravitonen, än så<br />
länge en ”teoretisk” partikel<br />
ansvarig för gravitationen.
Mer om Gluoner<br />
• Gluons ansvarar för den starka kraften mellan<br />
kvarkar<br />
• Gluons möjliggör för kvarkarna att kombineras<br />
och bilda hadrons.<br />
• Det finns två klasser av hadroner: baryoner<br />
<strong>and</strong> mesoner. Baryonerna, inklusivs protoner <strong>and</strong><br />
neutroner, består av tre kvarkar, medan<br />
mesoner består av en kvark och en antikvark.
Mer om Gluoner<br />
• Kvarkarna i en baryon eller meson utbyter<br />
gluons hela tiden vilket ”klistrar ihop”<br />
kvarkarna till nya partiklar.<br />
• Kvarkarna i en partikel kan emellertid också<br />
utbyta gluoner med kvarkar i en partkel i<br />
närheten. Denna växelverkan kallas för den<br />
residuella starka kraften och gör att hadroner<br />
attraheras till var<strong>and</strong>ra.
Mer om Gluoner<br />
Gluonerna (g) är bärare av färg mellan<br />
kvarkar (u, d). Här är ett exempel på hur<br />
tre kvarkar ”klistras ihop” och utbyter<br />
färg för att bilda en neutron
Gluoner och Comptonspridning<br />
Comptonspridning är<br />
ett exempel på hur<br />
elektromagnetsik<br />
strålning växelverkar<br />
med materia.<br />
Med hjälp av gluonerna<br />
beskriver vi<br />
spridningen såhär
Teorier, modeller och<br />
experiment<br />
Om någon har en teori, så vill man väl oftast se att<br />
denna teori bekräftas. Då gäller att den kan förutsäga<br />
något och att detta då kan bekräftas genom experiment.<br />
Man kan naturligtvis också tänka sig att någon gör ett<br />
experiment som ger ett nytt resultat. Andra kommer<br />
fram till likn<strong>and</strong>e eller relaterade resultat. Man kanske<br />
inte förstår exakt varför, men man börjar göra sig en<br />
modell. När modellen börjar kunna förutsäga saker och<br />
när antalet fria parametrar minskar, är man kanske<br />
framme vid en teori.
Teorier, modeller och<br />
experiment (forts).<br />
Någon lär ha sagt: ”Det är med kvarkar som med<br />
människor, det spelar ingen roll vad dom heter<br />
eller ser ut, det är hur dom uppför sig som<br />
betyder något”.<br />
Experimentella observationer är speciellt<br />
betydelsefulla i mikrokosmos. Om något är<br />
”fundamental”, ”minsta beståndsdel”, etc, hur<br />
kan vi då beskriva det? Vi kan bara beskriva hur<br />
partikeln uppför sig i olika situationer, dvs när<br />
den växelverkar med omgivningen.
Specifikationer 1: Saab 9-5<br />
Modell<br />
Saab 9-5 Sedan Linear 2.0t 150 hk<br />
239900<br />
Kaross och exteriör<br />
Ytterbackspeglar elmanövrerade och<br />
uppvärmda, lackerade i karossens färg<br />
Stålfälgar 6x15" med heltäck<strong>and</strong>e<br />
hjulsidor<br />
Dimljus i spoiler fram<br />
Metallic-lack<br />
Lättmetallfälgar 16" 10-spoke (ALU 38)<br />
Prest<strong>and</strong>a<br />
2.0t 150hk<br />
5-växlad manuell växellåda
Specifikationer 2: Protonen<br />
Modell av protonen:<br />
Protonen består av två nerkvarkar (d) och<br />
en uppkvark (u)<br />
Data för protonen<br />
Laddning<br />
Vilomassa<br />
Livslängd<br />
Spinn<br />
Radie<br />
Dipolmoment<br />
...<br />
...<br />
1.602 x 10-19 coulomb<br />
1.67 x 10-27 kg<br />
Troligen stabil<br />
½<br />
diameter
Specifikationer 3: Kaonen<br />
Modell av Kaonen K - :<br />
Kaonen består av två kvarkar,<br />
en kvark och en antikvark<br />
Data för Kaonen<br />
Laddning 1.602 x 10-19 coulomb<br />
Vilomassa 493,73 MeV<br />
Livslängd 12,3 ns<br />
Spinn 0<br />
Radie 1 fermi<br />
Dipolmoment<br />
...<br />
...<br />
diameter
Olika typer av strålning<br />
Alla känner väl till att man<br />
fortfar<strong>and</strong>e kallar radioaktiv<br />
strålningen för alfa, beta och gamma<br />
strålning. Detta är att hänföra till<br />
den tid då man inte visste att det var<br />
fråga om Helium-kärnor, elektroner<br />
eller positroner och elektromagnetisk<br />
strålning.
Olika typer av strålning<br />
Fortfar<strong>and</strong>e betecknar vi strålningen<br />
med de tre första bokstäverna i det<br />
grekiska alfabetet: α, β, γ. Röntgenstrålning<br />
heter X-rays på Engelska<br />
och är också elektromagnetisk<br />
strålning. Neuron strålning är kanske<br />
den ”allvarligaste” typen av strålning.
Olika typer av strålning<br />
Fotografisk emulsion svärtas av<br />
radioaktiv strålning.<br />
Det är Silverbromidkornen som joniseras<br />
och som blir ”svarta” vid framkallning
α-strålning<br />
Med α-strålning menar vi Helium-kärnor, dvs en<br />
partikel som består av två protoner och två<br />
neutroner. Detta är en mycket stabil kärna.<br />
Heliumkärnan är tung<br />
och bromsas snabbt upp.<br />
Några cm luft, ett<br />
papper, etc är<br />
tillräckligt för att<br />
stoppa α-partiklar med<br />
energier<br />
(E < 8 MeV), som från<br />
radioaktiva preparat.
β-strålning<br />
Med β-strålning menar vi elektron- eller positronstrålning.<br />
Positroner är elektronernas antipartiklar<br />
och har positiv laddning, annars samma massa,<br />
spinn, etc som eletronen.<br />
Elektroner är mycket lättare<br />
än Heliumkärnor men<br />
bromsas snabbt upp i luft.<br />
De elektrorer som kommer<br />
från radioaktiva preparat<br />
stoppas av ett par glasögon.
γ-strålning<br />
γ-strålning är elektromagnetisk strålning, samma<br />
som ”vanligt ljus” fast mera energirikt. Vanligtvis<br />
har strålningen energier från några keV till flera<br />
MeV. Elektromagnetisk strålning från atomskalet<br />
benämnes Röntgen-strålning (X-rays).<br />
γ-kvanta är masslösa och strålningen växelverkar på tre<br />
olika sätt med materia. Strålning på några MeV<br />
absorberas bäst av tynge ämnen som bly och wolfram.
Neutron strålning<br />
Neutron strålningen är visserligen svår att<br />
detektera. Den kan dock identifieras på flera olika<br />
sätt, vanligast är dock elastisk eller inelastisk<br />
spridning.
Växelverkan<br />
Detektorer bygger på att strålningen, som<br />
bärare av information” växelverkar med materia.<br />
Alla material lämpar sig inte som detektorer,<br />
men strålingen växelverkar med materialet i alla<br />
fall.
Växelverkan<br />
För elektromagnetisk strålning gäller att den<br />
växelverkar med materia på tre olika sätt.<br />
Sannolikheten och effektiviteten varierar med<br />
strålningens energi och det absorber<strong>and</strong>e<br />
materialet. De tre sätten är (och approximativt<br />
gäller):<br />
Fotoeffekten Z 5<br />
Parbildning Z 2<br />
Comptonspridning Z
Fotoelektriska effekten<br />
Vid den fotoelektriska<br />
effekten överförs hela<br />
den inomm<strong>and</strong>e<br />
fotonens energi (E = hν)<br />
till en elektron.<br />
Registreras sedan<br />
energin hos denna<br />
elektron, ser man<br />
I energispektrum får vi en diskret topp som svarar mot den<br />
elektromangnetiska strålningen energi. Höjden på toppen<br />
är proportionell mot strålningens intensitet.
Compton spridning<br />
Vid Compton spridning<br />
träffar en inkomm<strong>and</strong>e<br />
foton en banelektron<br />
och sprids i en vinkel<br />
mellan 0 och 180 grader.<br />
Beroende på denna<br />
vinkel överförs olika<br />
mycket energi och<br />
rörelsemämgdsmoment<br />
till elektronen.<br />
I energispektrum får vi en kontinuerlig fördelning från noll<br />
upp till nära den energi den inkomm<strong>and</strong>e fotonen hade.
Parbildning<br />
Om energin hos den<br />
inkomm<strong>and</strong>e partikeln<br />
har en energi som är<br />
större än dubbla<br />
elektronens vilomassa,<br />
dvs 1,022 MeV så kan<br />
fotonen absorberas och<br />
ett elektron-positron<br />
par bildas.<br />
Sannolikheten för<br />
parbildning ökar med<br />
ök<strong>and</strong>e gamma-energi.<br />
Positronen är elektronens antipartikel, dvs den är anti-materia<br />
och kan inte ”överleva” i vår värld, den annihileras.
Annihilation<br />
Positroner är elektroners<br />
antipartiklar och kan inte<br />
överleva i vår värld av vanlig<br />
materia. En positron fångas<br />
upp av en elektron och ett<br />
vätelikn<strong>and</strong>e system bildas.<br />
Därefter förintas elektronpositonparet<br />
(positroniumet),<br />
varvid två gamma-kvanta om<br />
511 keV sänds ut.<br />
Ett eller båda av de bildade 511 kEV kvanta kan lämna<br />
detektorn, varvid denna energi försvinner från spektrum.
Detektorer, allmännt<br />
Detektorer av olika slag används för att att<br />
detektera olika typer av strålning. Dessutom är det<br />
ibl<strong>and</strong> viktigt att detektera med hög effektivitet,<br />
hög energiupplösning, bara en viss typ av strålning,<br />
energi, etc.<br />
Vi kan skilja ut följ<strong>and</strong>e viktiga egenskaper hos<br />
detektorer:<br />
• <strong>Energi</strong>diskriminering och upplösning<br />
• Effektivitet<br />
• Snabbhet
Detektorer, enkla<br />
Den kanske enklaste detektorn för radioaktiv strålning<br />
är elektroskopet . Detektorn gör ingen diskriminering<br />
av strålningstyp eller energi, den mäter bara<br />
intensiteten. Bra som pendosimeter, mm.
Scintillationsdetektorer<br />
Scintillations-detektorer består av en kristall och<br />
en fotomultiplikator. Kristallen är omgiven av en<br />
reflektor (MgO) och ljusblixtarna träffar<br />
fotokatoden (FK). Detektorn mäter både energi<br />
och intensitet, dvs spektra
Scintillationsdetektorer<br />
I fotomultiplikatons katod konverteras ljuset<br />
till elektroner. Dessa accelereras och<br />
multipliceras över dynodstegen (D) och en<br />
puls erhålles vid anoden (A)
Scintillationsdetektorer<br />
Detektorer av scintiller<strong>and</strong>e typ kräver alltså en<br />
fotomultiplikator för att registrera ljusblixtarna och<br />
konvertera och förstärka ljussignalen till en elektrisk<br />
signal. Detektorerna har god effektivitet men sämre<br />
energiupplösning än t.ex. halvledardetektorer.<br />
Log<br />
Intensitet<br />
eller<br />
Antal<br />
pulser<br />
Compton<br />
kanter<br />
fototoppar<br />
Na-22<br />
Kanalnummer, pulshöjd eller energi
Halvledardetektorer<br />
Detektorer av tex halvledartyp används för att mäta<br />
energispektra, dvs antalet partiklar per energiintervall.<br />
Eftersom en del energiövergångar är diskreta erhåller man<br />
spektrallinjer i dessa spektra. Dessa spektra är<br />
karakteristiska för kärnor och deras sönderfall. De kan<br />
sägas fungera som ett fingeravtryck, när det gäller att<br />
identifiera både ämnen och vad som hänt. Exempel är U-137<br />
och dess kärnvapen, olyckan i Tjernobyl, osv. Germanium<br />
används för gamma och kisel för elektroner och Röntgen<br />
strålning
Partikel Acceleratorer<br />
Det finns lineära och cylindriska acceleratorer.<br />
Här visar vi exempel på den senare typen.
Change language