Částicová fyzika
DESCRIPTION
Částicová fyzika. Zásadní otázka: Co vlastně drží pohromadě atomová jádra?. Ve třicátých letech byla představa o hmotě jednoduchá a přehledná. Proton. Hmota. Neutron. Elektron. Záření. Foton. Interakce. Gravitace. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Částicová fyzika
Ve třicátých letech byla představa o hmotě jednoduchá a přehledná.
Proton
Neutron
Elektron MeV511.0m0
MeV56.939m0
MeV27.938m0
Foton MeV0m0
Gravitace
Elektromagnetická interakce
???
Hmota
Záření
Interakce
Zásadní otázka:
Co vlastně drží pohromadě atomová jádra?
Pro projekt „Cesta k vědě“ (veda.gymjs.net) vytvořil V. Pospíšil ([email protected]). Modifikace a šíření dokumentu podléhá licenci CC-BY-SA.
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme
do vaší budoucnosti
Částicová fyzika
Musí existovat síla, která drží pohromadě jádra. Má následující vlastnosti:
• Silnější než elektromagnetická
• Má krátký dosah
• Působí stejně na protony i neutrony
Dosah síly
Protony
Neutrony
Částicová fyzika
Dosah síly je jako dosah ruky boxera
– po určité vzdálenosti její vliv prudce klesá k nule
Silná interakce
krátký dosah na rozdíl od nekonečného
dosahu gravitace a elmg. interakce
Síla mezi nukleony je dozajista projevem nějakého pole, obdobně jako elektrostatické přitahování a odpuzování je projevem elektromagnetického pole. Existuje-li ovšem foton jako kvantum elektromagnetického pole, jaká kvanta tvoří pole silné interakce?
Částicová fyzika
1934 – Yukawova teorie mezonu
Proton
Neutron
Elektron
Foton Elektromagnetická interakce
Yukawa spočítal, že klidová hmotnost mezonu má být cca 153 MeV (300x hmotnost elektronu). To, že kvantum má nenulovou klidovou hmotnost souvisí s konečným dosahem silné interakce.
Pozn.: název „mezon“ znamená „středně hmotný“
Částicová fyzika
1937 – objev nových částic v kosmickém záření. Jsou však
lehčí, než předpovídal Yukawa. 1946 – ukazuje se, že nové částice jsou ve skutečnosti dvě: μ a π
μ
π
Částicová fyzika
Proton
Neutron
Elektron
Foton
Mezon π (pion) MeV140m0
MeV106m0 Muon (μ)
Yukawou předpovězená částice
Částicová fyzika
Paul Dirac
1923 – P. Dirac předpovídá existenci antičástic
Základní rovnice vzešlá ze spojení kvantové mechaniky a speciální teorie relativity má vždy dvě
řešení – pro částici s kladnou a se zápornou energií.
Diracovo moře
E = 0
Kladná energie
Záporná energieVšechny stavy se zápornou energií musí být zaplněny –
Pauliho vylučovací princip pak zbrání, aby obyčejné elektrony
do těchto stavů napadaly.
Částicová fyzika
Carl David Anderson (1905-1991)
1932 – objev pozitronu (antičástice elektronu)
Objevitelský snímek pozitronu.
Pozitron s vysokou energií vniká do mlžné komory v místě A. Po průchodu 6 mm tlustým olověným plátem ztrácí část
své energie. Ze zakřivení trajektorie v magnetickém poli
je možné určit náboj i hmotnost částice.
A
B
Částicová fyzika
Myšlenka Diracova moře byla rychle opuštěna. Místo toho bylo zjištěno, že
druhé řešení relativistické kvantové rovnice náleží jiné částici s kladnou energií, ale
opačnými kvantovými vlastnostmi. Každá částice má příslušnou antičástici.
Proton
Neutron
Elektron MeV511.0m0
MeV56.939m0
MeV27.938m0 Antiproton
Antineutron
Pozitron
Foton = Antifoton
Částicová fyzika
Poválečná představa o elementárních částicích
Proton
Neutron
Elektron MeV511.0m0
MeV56.939m0
MeV27.938m0 Antiproton
Antineutron
Pozitron
π + MeV140m0 π -
μ + MeV106m0 μ -
Foton
eeAnihilace :
Částicová fyzika – objev neutrin
Beta rozpad eBA
eZnCu 6430
6429
eCaK 4020
4019
eHeH 32
31
Roku 1930 se při studiu β rozpadu došlo k výrazné nesrovnalosti v energetické bilanci reakcí.
β rozpad je dvoučásticový, ze z.z. hybnosti a energie plyne, že každá částice musí mít pevně danou energii.
e-
p+
p+
p+nn n
Částicová fyzika – objev neutrin
m1
m2
Hybnost před rozpadem p = 0, tudíž i po rozpadu musí být celková hybnost 0.
Evm21vm
21
0vmvm
EEEpp0
222
211
2211
21
21
Em21vm
21
Em21vm
21
212
2
21
2211
2
12
12
211
12
12
vmm
vmm
vmmv
Částicová fyzika – objev neutrin
m1
m2
Hybnost před rozpadem p = 0, tudíž i po rozpadu musí být celková hybnost 0.
Evm21vm
21
0vmvm
EEEpp0
222
211
2211
21
21
Em
mmE
Emmm1vm
21
Evmmm
21vm
21
2
121
22
12
211
212
2
21
2211
Částicová fyzika – objev neutrin
m1
m2
Hybnost před rozpadem p = 0, tudíž i po rozpadu musí být celková hybnost 0.
Evm21vm
21
0vmvm
EEEpp0
222
211
2211
21
21
Emm
mE
Emm
mE
12
12
12
21
Pozn. : nerelativistické přiblížení
Částicová fyzika – objev neutrin
Emm
mE
Emm
mE
12
12
12
21
Energie při dvoučásticovém rozpadu se rozdělí v obráceném poměru hmotností. Jelikož ale
je možné tvrdit, že těžké jádro získá téměř nulovou kinetickou energii, zatímco elektron prakticky všechnu. Protože energie rozpadu je pevně dána, měla by pozorovaná energie elektronů být rovněž pevně dána.
21 mm
Ee-
mno
žstv
í čás
tic
E
Šířka vrcholu je dána přesností
měřicích přístrojů.
Částicová fyzika – objev neutrin
Ee-
mno
žstv
í čás
tic
E
Toto rozdělení ukazuje, že energie elektronu při β rozpadu je náhodná (do maximální hodnoty E), což je v příkrém rozporu s teoretickým výpočtem
Niels Bohr1885 - 1962
Neplatí z. z. energie!
Wolfgang Pauli1900 - 1958
Existuje lehká neutrální částice, která odnáší zbytek energie.
Částicová fyzika – objev neutrin
Enrico Fermi1901 - 1954
Pauli má pravdu!Je to neutrino!
υepn 00
01
11
10
Rozpad neutronu
υ00
Částicová fyzika – objev neutrin
Cecil Frank Powell (1903-1969)
π
μ
1947 : Mám nepřímý důkaz!Zvláštní rozpad pionu.
υμπ 2 e
Mlžná komora
Částicová fyzika – objev neutrin
Existence neutrina byla definitivně potvrzena r. 1956 pozorováním „inverzního β rozpadu“, reakce
enpυVlastnosti neutrina jsou velmi zajímavé : má velmi nízkou klidovou hmotnost (teprve v r. 1998 byl získán první nepřímý důkaz, že má klidovou hmotnost větší než nula) a téměř nepodléhá interakcím s ostatní hmotou:
Tisíce světelných let
Olovoneutrino 50% šance že proletí
Dnes také víme, že neutrin je více druhů (tři různá neutrina a tři příslušná antineutrina).
Částicová fyzika – podivné částice
π+ π-
1947 : První pozorování rozpadu těžké neutrální částice, která byla do té doby neznámá. Byla pojmenována „Kaon“ a označena jako KO.
ππK0
Částicová fyzika – podivné částice
V krátké době se vyrojili další a další částice a reakce
πππK πππK πpΛ0
Kpπ00π Kp
Částicová fyzika – podivné částice
p
Co je to za
džungli !?
Částicová fyzika – podivné částice
Murray Gell-Mann 1929 -
Řád byl do džungle vnesen r. 1961 – vznikla „cesta osmi“ (Eightfold way) coby první pokus o jakousi periodickou tabulku v částicové fyzice.
K0 K+
π+
K0K-
Π- π0
S=1
S= 0
S= -1
Q=0
Q=1
Q=-1
Geometrické obrazce
Podivnost
Náboj
Částicová fyzika – podivné částice
Murray Gell-Mann 1929 -
Σ-
Δ- Δ0 Δ+ Δ++
Σ0 Σ+
Ξ- Ξ0
S=0
S=-1
S=-2
S=-3
Q=-1
Q=0
Q=1
Q=2
Zde nebyla žádná známá částice. Gell-Man předpověděl její existenci a spočítal její náboj a hmotnost. Navíc řekl experimentátorům, jakou reakcí ji bude možné vyprodukovat. A v zápětí byla nalezena.
Částicová fyzika – kvarkový model
d u
s
S=0
S=-1 Q=-1/3
Q=2/3
Q=1/3Q=-2/3S=0
S=1s
u d
Částicová fyzika – kvarkový model
Ostatní obrazce se dají sestavit ze dvou kvarkových trojúhelníků.
dds
ddd udd uud uuu
udsuus
dss uss
S=0
S=-1
S=-2
S=-3
Q=-1
Q=0
Q=1
Q=2
sss
Částicová fyzika – kvarkový model
Kvarkový model měl jeden zásadní nedostatek – i přes intenzivní hledání přes 20 let dlouhé nebyly kvarky nikdy pozorovány jako samostatné částice. Navíc, částice typu (uuu), (ddd) či (sss) zjevně porušovaly Pauliho vylučovací
princip.
Až do roku 1974 nebyl kvarkový model uznáván a v částicové fyzice přetrvávala větší či menší džungle.
Částicová fyzika – kvarkový model
dds
ddd udd uud uuu
udsuus
dss uss
S=0
S=-1
S=-2
S=-3
Q=-1
Q=0
Q=1
Q=2
sss
Nedostatky kvarkového modelu :• Nebyly nikdy pozorovány samostatné kvarky• Porušoval Pauliho vylučovací princip
Částicová fyzika – kvarkový model
1964 - O. Greenberg navrhuje řešení problému s Pauliho vylučovacím principem zavedením nové kvantové vlastnosti kvarků – barvy. Má-li každý kvark v dané částici (uuu, ddd, sss) jinou barvu, nejsou identické a Pauliho vylučovací princip se na něj nevztahuje.
u
d
s
u
u
u d
d
ds
s
s
Částicová fyzika – kvarkový model
uud
ud d
Vlastnost „barevnost“ u složených částic nepozorujeme, neboť tři různé barvy či barva a antibarva dá dohromady „bílou“ – bezbarvou částici.
Neutron
Proton
ud π-
du π+
Pozn.: kvantová vlastnost „barva“ samozřejmě nemá nic společného s optickými jevy.
Částicová fyzika – objev J/Ψ
Zavedení barev kvarků vyřešilo problém s Pauliho vylučovacím principem a zároveň naznačilo, proč nelze pozorovat samostatné kvarky – pokud pozorovatelné objekty (částice) musí být bezbarvé, pak je možné spojovat kvarky po dvou (barva-antibarva) nebo po třech (tři barvy nebo tři antibarvy), ne však čtyřech či po jednom.
Nutnost „bezbarvosti“ pozorovatelných částic byla ale spekulace a kvarkový model nebyl podložen experimentálně. Mezi roky 1964 – 1974 se o kvarcích v „lepší fyzikální společnosti“ nemluvilo.
S. C. C. Ting 1936 -
Burton Ritcher 1931 -
J
Objev J/Ψ r. 1974, Nobelova cena r. 1976
Částicová fyzika – objev J/Ψ
J
• Elektricky neutrální
• Extrémně těžká (3.1 GeV)
• Extrémní doba života (10-20 s)
Obdobně těžké částice (mezony) mají typickou dobu života 10-23 s, tato částice žije tedy 1000x déle, než srovnatelné částice. To je jako objevit kdesi v Andách vesničku, ve které se lidé dožívají běžně 70000 let. To nemůže být nějaká anomálie, ale známka úplně nových, doposud neznámých biologických jevů. Objev J/Ψ tedy znamenal převrat ve fyzice částic.
Tento objev je často označován jako Listopadová revoluce.
O vlastnostech J/Ψ se v měsících po jeho objevu hodně diskutovalo, nicméně zcela vyhovující vysvětlení podal kvarkový model:
ccJ
Částicová fyzika – objev J/Ψ
J/Ψ je vázaný stav nového kvarku a antikvarku. Tento kvark byl označen jako půvabný (charm). Vázaný stav cc by dle kvarkového měl mít opravdu tak dlouhý život, jak bylo naměřeno.
Částicová fyzika – kvarkový model
Existence nového kvarku (c) impikuje existenci mnoha nových částic:
(dss) Ξ- Ξ0 (uss)
(sss)
(dds) Σ- Σ+ (uus)
(ddd) Δ- Δ++ (uuu)Δ0 (ddu) Δ+ (duu)
cus
cdd
ccd
ccc
ccu
cuucud
ccs
csscds
c=0
c=1
c=2
c=3ucD0 dcD
Částicová fyzika – standardní model
e
e
Rodina Částice Symbol m(MeVc-2)
Náboj (e)
Anti-částice
Elektronováelektron e- 0.511 -1 e+
elektronové neutrino < 0.000003 0
Mionovámion 105.7 -1
mionové neutrino < 0.19 0
Tauonovátauon 1777 -1
tauonové neutrino < 18.2 0
Leptony
Současné vědomosti o elementárních částicích shrnuje tzv. Standardní model. Elementární se zde rozumí taková částice, u které nelze pomocí současných experimentálních metod pozorovat vnitřní strukturu.
Částicová fyzika – standardní model
Částice Symbol m(MeVc-2)
Náboj (e)
Anti-částice
Horní (Up) u 5 + 2/3 u
Dolní (Down) d 10 - 1/3 d
Půvabný (Charm) c 1500 + 2/3 c
Podivný (Strange) s 200 - 1/3 s
Pravdivý (Truth) t ≈ 180000 + 2/3 t
Krásný (Beauty) b 4300 - 1/3 b
Kvarky
Současné vědomosti o elementárních částicích shrnuje tzv. Standardní model. Elementární se zde rozumí taková částice, u které nelze pomocí současných experimentálních metod pozorovat vnitřní strukturu.
Částicová fyzika – standardní model
Jak to všechno drží pohromadě?
Elektromagnetická
Silná
Slabá
Gravitační
4 základní interakce
Elmg., silnou a slabou interakci lze vysvětlit pomocí výměny určitých druhů částic částic - mediátorů
Částicová fyzika – standardní model
e-
e-
• Interakce vysvětlena výměnou částic (mediátorů)
• Kvantová teorie pole
• Feynmanovy diagramy
Částicová fyzika – standardní model
Elektromagnetická
• Reaguje na elektrický náboj
• Nekonečný dosah
• Odpudivá i přitažlivá
• Nosičem (mediátorem) je foton
Částicová fyzika – standardní model
Silná
• Reaguje na barvu
• Krátký dosah
• Přitažlivá, odpudivá pouze na velmi krátké vzdálenosti
• Nosičem (mediátorem) je gluon
Silná interakce drží pohromadě kvarky v částicích, její zbytková forma pak drží pohromadě atomová jádra.
Částicová fyzika – standardní model
Neexistují volné barevné částice – za což může jev uvěznění kvarků. Budeme-li se snažit uvolnit kvark z nitra nukleonu, poroste síla, kterou je v něm vázán. Pokud při „oddalování“ kvarku dodáme dostatečnou energii, vytvoří se pár kvark – antikvark, který se naváže k původním tak, že vzniknou dvě nové bezbarvé částice. Analogii vidíme při natahování pružiny. Pokud pružinu natáhneme moc, praskne a zbudou nám pružiny dvě.
Částicová fyzika – kvarkový model
Slabá
• Reaguje na typ kvarku či leptonu (někdy označováno jako chuť - flavor)
• Krátký dosah
• Odpudivá, neexistují stabilní systémy vázané slabou interakcí. Je zodpovědná za některé rozpady částic
• Nosičy (mediátory) jsou tzv. intermediální bozony
Částicová fyzika – standardní model
Mediátor m (GeVc-2) Náboj (e)foton 0 0
gluon 0 0
W+ 80.4 +1
W- 80.4 -1
Zo 91.187 0
graviton 0 0