Elementy Fizyki Cząstek Elementarnych

neutrino.fuw.edu.pl

Elementy Fizyki Cząstek Elementarnych

Elementy Fizyki Cząstek Elementarnych

Podręczniki:

Prof. dr hab. Danuta Kiełczewska

Zakład Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych, IFD, UW

• Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts, B. Povh,

K. Rith, C. Scholz and F. Zetsche

• Nuclear and Particle Physics, W.S.C. Williams

• Particle Physics, B.R. Martin & G. Shaw

• Wstęp do fizyki wysokich energii, D.H. Perkins

• Spaceship Neutrino, C. Sutton

• Kosmiczna cebula, F.E. Close

• transparencje dostępne ze strony: http://www.fuw.edu.pl/~danka/

Egzamin:

pisemny (testowy), ewentualnie egzamin ustny

D. Kiełczewska, wykład 1 1


Elementy Fizyki Cząstek Elementarnych

Plan wykładu:

Wstęp (krótka historia, elementy Modelu Standardowego)

Źródła cząstek (naturalne, akceleratory, reaktory)

Detektory cząstek

Symetrie i prawa zachowania

Oddziaływania (Diagramy Feynmana, elementy QED, QCD)

Oddziaływania elektro-słabe

Oscylacje neutrin

Struktura nukleonu

Unifikacja oddziaływań

Astrofizyka cząstek ( Ciemna materia, neutrina z SN1987A)

Elementy kosmologii

Przyszłość fizyki cząstek

D. Kiełczewska, wykład 1 2


Krótka historia

cząstek elementarnych

D. Kiełczewska, wykład 1 3


Krótka historia

Odkrycie elektronu:

1895 – Roentgen -odkrycie prom X

1896- Becquerel – promieniotwórczość

1900 – Planck – wzór na prom. termiczne

idea kwantów

1905 – Einstein - szczególna teoria wzgl

>1926 – mechanika kwantowa

1897 – Joseph J. Thomson (badając promienie katodowe pokazał,

że odchylają się w polu elektrycznym

i magnetycznym ). Wyznaczył

1909 – Robert Millikan (badał opadanie kropelek oliwy w powietrzu

- hamowane przez pole elekryczne -

i wyznaczył ładunek elektronu, a następnie obliczył jego masę:

D. Kiełczewska, wykład 1 4

e −


Krótka historia - foton

1905 – A. Einstein wyjaśnił obserwowany efekt fotoelektryczny

postulując, że światło jest strumieniem kwantów energii

fotony

1923 – Compton badał rozpraszanie fotonów na elektronach

Rys F. Żarnecki

Fotony niosą nie tylko

energię, ale i pęd

- jak cząstki.

γ

D. Kiełczewska, wykład 1 5


Krótka historia – jądro atomowe

1911 – Ernest Rutherford - hipoteza jądra

Badał rozpraszanie cząstek alfa na cieniutkiej warstwie złota (4 m)

Rozpraszanie kulombowskie przez punktowy ładunek Ze:

T - energia kinet cząstek

Można wykazać związek między kątem rozproszenia oraz parametrem

zderzenia b:

Okazało się, ze wzór

obowiązywał tylko dla:

b > 10 −14 m

D. Kiełczewska, wykład 1 6


Krótka historia – jądro atomowe

Rutherford zaobserwował nadmiar rozproszeń pod dużymi kątami,

który wytłumaczył zakładając, że źródło oddziaływania odpowiedzialnego

za rozpraszanie jest skoncentrowane w b. małym obszarze.

b < 6⋅10 −15 m

W rozproszeniach pod dużymi kątami parametr b jest bardzo mały i cząstki

alfa zbliżają się do centrum rozpraszania tak, że odczuwają krótkozasięgowe

oddziaywania jądrowe. Prawo Coulomba nie wystarczy do opisania wyników:

anomalne rozpraszanie Rutherforda

Inaczej: na wewnętrzną strukturę

wskazywał nadmiar rozproszeń

z bardzo dużym przekazem pędu:

1919 – Ernest Rutherford – hipoteza protonu

p – pęd cząstek alfa

q – przekaz pędu

D. Kiełczewska, wykład 1 7

p


Krótka historia: neutrino

Obserwowane ciągłe widmo

elektronów:

Rozpad 2-ciałowy:

m 1 M m 2

Wygląda na rozpad 3-

ciałowy

Energia ustalona

Neutrino postulowane przez Pauliego

D. Kiełczewska, wykład 1 8


Dec 1930: „A Desperate Remedy”

A’

A

ν

e

“I have done something very

bad today by proposing a

particle that cannot be

detected; it is something

no theorist should ever

do.” W.Pauli

D. Kiełczewska, wykład 1 9

ν


Krótka historia

1931 – James Chadwick – odkrywa neutron

A(α,n)B

A(n,p)C

Bombardując jądra A cząstkami α

oraz mierząc zasięgi protonów i jąder C

wyznaczył masę neutronu:

Badając oddziaływania promieni kosmicznych:

1932 – Carl Anderson – odkrywa pozytron

1937 - odkrycie mionu

1946 – odkrycie pionu

µ +−

π +−0

e +

D. Kiełczewska, wykład 1 10


Krótka historia

1934 – Hideki Yukawa

zaproponował wyjaśnienie rozpraszania

neutron – proton przez wymianę między nukleonami

bozonu o masie około 100 MeV

Różniczkowy przekrój czynny na rozpraszanie np np

ma maksimum zarówno przy min jak i max przekazie pędu

p

n

p

n

koncepcja oddziaływań

poprzez wymianę

cząstek

D. Kiełczewska, wykład 1 11


Reines i Cowan: Odkrycie neutrina

Ciekły

scyntylator

Woda,

chlorek kadmu

Ciekły

scyntylator

kwanty γ rozpraszały się

komptonowsko i wybijały elektrony,

które dawały światło scyntylacyjne

wykrywane przez fotopowielacze.

Sygnał to koincydencja bezpośredniego

światła z pozytronów oraz opóźnionego

(o 15 µsec) światła pochodzącego z

absorpcji neutronów przez jądro

kadmu.

D. Kiełczewska, wykład 1 12


Reines i Cowan: Odkrycie neutrina

Reaktor w Savannah River źródłem „neutrin” z rozpadów

jąder z nadmiarem neutronów. Detektor: 12 m pod ziemią:

scyntyl

scyntyl

scyntyl

Woda

Woda

W 1956 telegram do Pauliego: „We

are happy to inform you that we have

definitely detected neutrinos...”

1995 nagroda Nobla dla Reinesa

Ostatnio: podobny projekt

detektora do inspekcji

pracy reaktorów na

odległość

D. Kiełczewska, wykład 1 13


Kolejne odkrycia

oscylacje neutrin

D. Kiełczewska, wykład 1 14


Dosyć materiału, zeby

poszukać ukrytych symetrii

D. Kiełczewska, wykład 1 15


Model Standardowy

– fermiony (spin ½)

Ładunek

elektryczny

kwarki

Ładunek

elektryczny

antykwarki

leptony

antyleptony

D. Kiełczewska, wykład 1 16


Model Standardowy – oddziaływania

Znamy z doświadczenia:

Oddziaływania silne

Oddziaływania elektro-magnetyczne

Słabe oddziaływania

Elektrosłabe

Grawitacyjne zbyt słabe, żeby wpływały na omawiane procesy

D. Kiełczewska, wykład 1 17


Fermiony

s=1/2

Nośniki oddziaływań

Bozony

spin=1

Fermiony

s=1/2

Silne

kwark

gluony - g

kwark

Elektromagnet.

fotony γ

e - e -

Słabe

ν

bozony pośredniczące

kwark

Diagramy

Feynmana

D. Kiełczewska, wykład 1 18


Oddziaływania słabe

W - W +

zapach (np. dziwność) nie jest zachowany!

W -

W +

D. Kiełczewska, wykład 1 19


Kwarki kolorowe

sabe

kwarki

antykwarki

u

u

u

up

d

d

d

down

c silne c c charm

s

s

s

strange

t

t

t

top

b

b

b

bottom

D. Kiełczewska, wykład 1 20


Model Standardowy w kolorach

Generacja I Generacja II Generacja III

Leptony

Kwarki

Bozony

pośredniczące

gluony

D. Kiełczewska, wykład 1 21


Sukces Modelu Standardowego

To są wszystkie

(obecnie znane)

cząstki

elementarne

Podlegają

tym samym

UNIWERSALNYM

prawom fizyki

s

u

d

c

s

b

t

b

e

u

D. Kiełczewska, wykład 1 22

u

c

s

t

b

d

d

c

t


Hadrony (tzn. cząstki oddziałujące silnie)

Wszystkie leptony obserwujemy jako cząstki swobodne.

Natomiast kwarki są uwięzione w hadronach

Bariony (3 kwarki):

Antybariony (3 antykwarki)

Proton Lambda Antiproton

Mezony

(kwarkantykwark):

D. Kiełczewska, wykład 1 23


Jednostki energii

Jednostką energii używaną w fizyce cząstek jest:

1 eV (elekronowolt)

1 eV – energia, jaką zyskuje cząstka o ładunku elementarnym q=1e po przejściu

różnicy potencjałów 1V

Często przyjmujemy jednostkę energii za jednostkę masy:

(E=mc 2 ; c=1)

D. Kiełczewska, wykład 1 24


Masy

Masy

bozonów:

Ale od 10 lat wiemy, że co najmniej jedna masa neutrin jest >40 meV

D. Kiełczewska, wykład 1 25


Energia i długość

Zasada nieoznaczoności:

Δt ⋅ ΔE ≥

= 197 MeV ⋅ fm (c = 1)

1 fm = 10 −15 m

Stąd relacja między energią

i odległością:

1 fm =

1

200 MeV

Zdolności rozdzielcze

do badania ukrytych struktur

cząstek

Gdy używamy sond w postaci cząstek

długość fali de Broglie’a musi być

mniejsza niż badana struktura:

λ = h p = 2π

p

1.2 fm

=

p(GeV ) R

gdzie p to pęd padających cząstek

Albo wychodząc z rozdzielczości mikroskopu:

Δr =

λ

sinϑ =

h

psinϑ = 2π

q

1.2 fm

=

q(GeV ) R

gdzie q to przekaz pędu padających cząstek

do badanego obiektu

czyli potrzebne

wielkie energie

D. Kiełczewska, wykład 1 26


1 femtometr

1fm=10 -15 m

Jednostki

10 fm

1 fm

0.001 fm

D. Kiełczewska, wykład 1 27


Kinematyka relatywistyczna

- przypomnienie

Czterowektory:

Np: wektor cztero-pędu:

Długość czterowektora

(niezmiennik transformacji

Lorentza):

Dla fotonu:

Podobnie dla cząstek ultrarelatywist.

gdy:

D. Kiełczewska, wykład 1 28


Kinematyka relatywistyczna

Transformacja Lorentza dla czteropędu:

Układ S’ porusza się w układzie S z prędkością:

Wtedy w układzie S mamy:

Weźmy np. cząstkę o masie m

spoczywającą w S’:

oraz

D. Kiełczewska, wykład 1 29


Kinematyka relatywistyczna

Dla układu 2 cząstek energia dostępna w układzie

środka masy:

s jest niezmiennikiem transformacji Lorentza

Zderzenia wiązek przeciwbieżnych


p a

= − p b

Zderzenia wiązki ze stacjonarną

tarczą

s ≈ 4E a

E b

E cms

≈ 4E a

E b

dla E a

= E b

≡ E E cms

≈ 2E

D. Kiełczewska, wykład 1 30


Kinematyka relatywistyczna

Przykład 1:

zderzenia elektron-proton w akceleratorze HERA

Aby uzyskać taką samę E_cms w zderzeniach wiązki

elektronów z tarczą stacjonarną energia wiązki

musiałaby być:

D. Kiełczewska, wykład 1 31


Kinematyka relatywistyczna

Przykład 2:

zderzenia proton-proton w akceleratorze LHC

Aby uzyskać taką samę E_cms w zderzeniach wiązki

protonów z tarczą stacjonarną energia wiązki

musiałaby być:

Cząstki o takiej energii występują tylko w promieniowaniu

kosmicznym

D. Kiełczewska, wykład 1 32


Typowe rzędy wielkości:

Czasy życia cząstek

rozpady słabe >10 -10 s

rozpady elmgt 10 -20 s

rozpady silne 10 -23 s

Do oszacowania średniej drogi przed rozpadem wygodnie jest

używać wielkości gdzie to czas życia w układzie cząstki


τ

Np. dla neutronu:

czyli droga jest porównywalna z odl. ze Słońca

do Ziemi dla p=m/2

D. Kiełczewska, wykład 1 33


Czasy życia cząstek

Inny przykład: neutrina o energii 20 MeV pokonały odległość

50 kpc po wybuchu SN1987A.

Co nam to mówi o ich czasie życia, jeśli ich masa m > 50meV

1pc=3.3 ly

do sprawdzenia w domu

1 ly = 3,15×10 7 s * c

D. Kiełczewska, wykład 1 34


Czasy życia

Rozpady

słabe

Rozpady

słabe

Rozpady

elmgt

D. Kiełczewska, wykład 1 35

Rozpad silny

More magazines by this user
Similar magazines