Elementarne składniki materii

Henryk Pałka, IFJ PAN

Czym są elementarne składniki

materii?

Jakie siły

rządzą

oddziaływania

mi cząstek?

Czy istnieje jednolita teoria

(ToE) obejmująca wszystkie

oddziaływania?Fizyk redukcjonista

Skończona liczba cząstek elementarnych?

Cząstki = (elementarne) składniki materii

Historia składników materiiS

kala

loga

rytm

iczn

a

17 ?

Arystoteles Dalton(pierwiastki)

Thomson(elektron)Rutherford(atom)

• Wysokie energie (pędy) cząstek konieczne aby :

• obserwować głeboko ukryte struktury (małe rozmiary): λ = h/p (de Broglie), x p ≤ ħ (Heisenberg) mikroskop o b. krótkiej fali

• wytworzyć (z energii) nowe cząstki: E = mc2 (Einstein)

Przyśpieszanie cząstek do wielkich energii i ich zderzanie (pocisk-tarcza, pocisk-pocisk)

Fizyka cząstek = Fizyka wysokich energii

Eksp. rozproszeniowy

Eksp. formacji (anihilacja cz.-anty-cz.)

Rozmiary i energie w mikro-świecie

• 1 fm = 1 femtometr („Fermi“) = 10-15 m (1 µm = 1 000 000 000 fm)

• Energia:1 elektronowolt = 1eV

1 Kilo-elektronowolt = 1 KeV = 1000 eV1 Mega-elektronowolt = 1 MeV = 1 000 000 eV1 Giga-elektronowolt = 1 GeV = 1 000 000 000 eV

1 Tera-elektronowolt = 1 TeV = 1 000 000 000 000 eV

Energia 1 GeV, duża w mikro-świecie, jest śmiesznie mała makroskopowo: np. rozświetli latarkę (1.6 W) tylko przez:

0,000 000 0001 sekundy

Mikroskop: przyśpieszacz (akcelerator) cząstek

>0,15µm

widzieć = zarejestrować obraz rozproszenia

Pocisk tarcza detektor

Rozdzielczość:

‘precyzja’ << rozmiar strukturyrozmiar pocisku << struktury

precyzja = 200 fm / 1 MeV energii pocisku :

0,2 fm przy E = 1 GeV = 1000 MeV0,2 µm przy E = 1 eV

Źrodłoświatła Obiek

t

[ λ = h/p, x p ≤ ħ ]

Proton i neutron mają strukturę wewnętrzną !!!

1 fm

Odkrycie (SLAC ~1970): rozpraszając e- na protonach i neutronach

Podejrzenie że p i n nie są elementarne trochę wcześniej (model kwarków, ~1960 )

•<< 1 fm Energie >> 0,2 GeV

Jak działa akcelerator ?

• Zasada działania:

• Akcelerator liniowy:

ILC (planowan

y)

Fermilab

• Lampa kineskopowa:

Kompleks akceleratorów w CERN

Cegiełki materii

Fundamentalne* cegiełki tworzące materię:

- elektron e- , kwark u (up – górny), kwark d (down –dolny) , związane w atomach i jądrach

- neutrino ν a co to takiego?

(*)nie mają struktury wew. = są ‘punktowe’: d < 0.001 fm)

nie fundamentalne(podzielne)

fundamentalne(niepodzielne)

Kryształ Molekuła Atom Jądro atomu Proton Kwark

Neutrino: ‘cząstka-duch’

Rozpad : n p + e-

(1914 Chadwick)

Prawo zachowania energiii pędu - przy spoczywającymneutronie : E(e-) = const sprzeczne z obserwacją:

Pauli (1930): w rozpadziemusi uczestniczyć niewidzialnacząstka (ν), partner e-

ν : bardzo lekka (m=0 ???)• 999 999 999 ν/1 000 000 000 przebija kulę ziemską bez oddziaływań • dużo neutrin we Wszechświecie: ~400 000 000/m3

(n.b. protonów jest tylko 0.2/m3 )

Oddziaływania cząstekSiły wzajemnego oddziaływania cząstek na siebie, wywołujace produkcję cząstek i ich rozpady

Obecnie znamy 4 oddz. fundamentalne:

q q ppnn

nnp

pppp

nnn

ppnpnp

Grawitacyjne (masy)

Słabe (rozpad β)

Elektromagnet.(ładunki elektr.)

Silne(jądrowe)

Skąd się te siły biorą ?

Siły wymiany

• ‘Partnerzy’ oddziaływania muszą mieć ‘ładunek’

• siła oddziaływania jest skutkiem wymiany ‘cząstki pośredniczącej’

electron 1

czas

t2

t1

przestrzeń

elektron 2

elektron 1

Foton (wirtualny)

To jest tzw. diagram Feynmana

Słabe Elektromagnet. Silne

‘Ładunek’ +1,-13 kolory: r,b,g+3 anty-kolory

I1 , I2, I3

cz. pośredn.jej ładunek,masa

γ00

8 gluonów ( g )kolor,anty-kol. 0

W+, Z0, W-

+1, 0, -170-90 GeV

ładunki cz. element.

Q(u)= 2/3Q(d)=-1/3Q(ν)=0Q(e-)=-1

Q(u)= r,b,gQ(d)= r,b,gQ(ν) i Q(e-) nie istnieją

I3(u)= +1/2I3(d)= -1/2I3(ν)= +1/2I3(e-)=-1/2

zasięg sił ∞ ~1 fm ~0.0025 fm

skutki widocznemakroskopowo

niewidocznew skali makro

świecenie Słońca,radioaktywnośc

Pełny zestaw znanych obecnie cząstek elementarnych

GrawitacjaGrawitacja

--duch w duch w operzeoperze

BozonBozonHiggsaHiggsa??

Noś

niki

si ł

Noś

niki

sił

ZZ boson

WW boson

foton

ggluon

tau

-neutrino

bpiękno

tprawda

III III

mion

-neutrino

sdziwny

cpowab

II II

eelektron

ee-neutrino

ddół

górau

I I

Lep

tony

Lep

tony

K

war

kiK

war

ki

Rodziny Rodziny cząstekcząstek

materiimaterii

Cząstki materii i pól sił

t

bc

su

de

e

Mass

Mt=175 GeV ! – cięższy niż atom srebra!!

Mamy nadzieję że LHC dostarczy odpowiedzina te 2 pytania

Dlaczego 3 rodziny?skąd ta rozpiętość mass?Dlaczego 3 rodziny?skąd ta rozpiętość mass?

Nurtujące pytania:

Obecna granicaobserwowalności

Nasze marzenie: jednolita teoria (unifikacja)

Supersymetria?

CMS

d

u

bs

c t

e Z

e

g

W

Spin1/2

Spin 1

Spin0

H

H

d

u

bs

c t~ ~ ~~ ~ ~

e~

~e~

~

~ ~ Z

g

W

~

~

~

~

Supersymmetric Partner

Spin0

Spin 1/2

Spin1/2

H~

H~

Związek fizyki cząstek z kosmologią

Wczesny Wszechświat:temperatura 1015K energia czastek ~100 GeV

Akcelerator:energia cząstek ~100 GeV

Niekontrolowane zderzeniacząstek

kontrolowane zderzeniacząstek