Okunj - Elementarne cestice

8/3/2019 Okunj - Elementarne cestice

1/51

' ~~)-J.~~j..

- . . ~

:!. . . . . ;,,J.,~-, ..... .~ ""~

3. -... -

- . L. B. OKUNJ 7 ,.. ..

_. ', L

. - '

- r -

-- ,, - ... .

I- . . r,

. . . . . . . . . . . . . . ._.

- _ . I . a, , . . ..+ ., - - ''.

... ". . - . . . ,

" - -

!:...:. .. Elernentarni livod u fiziku elementarnih . . . . , ...cestica, 'I - I . '.. " . ,& +

. . . . " I .~ .. . .- .J .",..,

-~ :_ . . . . ~

. I 4. . ' S . . . . .,.. r,: ' -\ ~ ~ : ~ . ' . > "

t 7 -.. ' ~. . . . :.,

~ . . . . ... '"- 1 1 . - . . . . . . . . '. ; r t . ' ...-,.;' ! ': '"j s _ ~ . : . . .' I" r ~ -. . " '!: ,.... ~ ...: _ t - .

. . . .. . ~ . ' " 1 ' . /

..

, . . . . , . . _ . -' .. . - .. //_ _ . /_ _ _ .--,~L : ' ~ _ - . - ..... -'. .. ...: ~ . "".l . .~ - - . !.. _ . .. .. -r" - . I~ . -'-1;. - ' ,- - .. D--~.,~~~ .: --: '!.. - - .. -~ I - . . . . . . .-- p I, -...I . -I . I -, . .1~. .

' ., - ,' -

I'J, -, , '

,- -. ::1 . . . , '" ...t, -~ .. .~ . _ T. . . . . . . . . . _ . . . . . . . .

.,- . -. . .. . I ., '

.,. - --

_. . - + DC~l n\.1 L...t \..rl~.,, . - I~

I_ ..' '.. ,"' . . . . . ,_. -

.. .

'

1 .,. -... . ~.- ., ..r '~. .


2/51

I~..f""t.. .L_i!i, -

. .' .. ," ' ..~~~ .. .. . ~- ': t . ; ; ,

- -. . - , . ..- -: . . . ..

. : . .. . .; . .J

,_. .. ~

-- -. . . . .

-. . . . . . . _ _ ,~ ~ " r. ~.- .. ,. . -, : ~,. . ... .. '. ... . . . _ _ . . . ~-- - = .p . +

. " - I II... ., r~ J 4.~ ... ~- - .. _.. +~."~,.' _ . . . ..~~ . .I. -I '' . ,... ...~ ., ' .

r f - ..~.~-Ii

. - - ._ .., . -- -- ," .._ '.. , .,.~.. ,r : ... - ...~~ ,

, .. ._ . . . . . . . . . .- ~ ...p . - \. ; r -"... - - . . . , . +..., r ~

I ... ~. r. . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .. r .. . . . . . .. . . . _ - .. - / J . . '- t . ~ .I.~.I- I _ .

~ -~. ~ I _ ~. . : '" - 1 " . 1~

'_ . . . . . . _'. .- I . .I . _ .r- ..

1 . ~, . "

. I ~ .. . . . .. I .

~, .. , -~- .... . . . . . ~ . . " - l - .., ," . 1 =.. - .. . . .' -T . ~

a, '.. +.. . . . . . . J . . ;;;.V...

" .- '

~~ ~ ._ I.. .... " _,t. { _. . . . . .. ; r... ., . , .. .. ' :. ... - . . . . .. . . . ..:~~

.

--..: -- . . . . . . : , . . : ~\ ' ~ . . . . . _- . -..............~~- " " ' ", "J_ - : , . . '.-. . . . ~

_ " I I . - : _ : . ! _J !_ . . . . . .. ..

.. t_~~- ... ~.. . . .-.~~.r-'.. .- ..., -._- , I .-- .

_.-

.... ..

1

I ,

.~Naslov originala , .- . . . ...1: tJIeB EOPHCOBHlf OKYHb

"a, jJ , y ... Z" (E le~enlarn i uvod u Iiziku eler nen tar nih ce stic a) - Moskva, Nauka .G l av n a r ed a kc ij a I iz ic kc -r n at er n at ic ke li terature, 1985. - 112 str.

(Biblioteka .Kvant", sveska 45) .,. "SADRZAJ.

U knj iz i se popularno govo r i 0 sav re rnenom stan]u iperspektivarna fizikec lcmcnta r nih cestica. Citalac se upoznaje sa osnovnirn Iundamentalni rn ~ esti ca ma -lcptoriima, kvarkovima, fotonirna, gluonima isa, 1~83. godine otkrivenim, inter-

. }m cdijarn irn bozonirna. U zgred se govori ia nekim osnovnim p ojm ov im a teo rij erelativnosti, kvantne mehanike iteorije polja, be z kojih se ne rnoze s te el p ra vi ln apredstava 0 sustini Iundarnentalnih p oj av a u i nte ra kc ija rn a e le rn en ta rn ih cest ica,

Za u ce ni ke s ta ri ji h razreda, s tudcnre, nastavnike.

. -,J .Uvodna rec ....

Pre dgovor . ~ e ~ . . . . ~ . . . ... VI}- ._....:......;,j,-,..,.

'I I I . .,. . . . . . . . . . . . . . ~ . ~ ~ . . ...... " V II. . . . .

Podsetnik: Cestlce interakci]e 1Osnovne cestice: elektron, p ro to n , n eu tr on i oton 0 " " 11vf~sa, energi]a , impuIs iugaoni m om en at u N ju tn ov oj mehanic i 0 4Masa, energija impuls u A jn stajnovo ] m ehanici 7Sile ipoJja 0 .11Kvantrie pojave 0 0 0 0 .13Atornske inuklearne reakcije .. 0 17SJaba iak a in terakc ija .. " " 0 18Fizika visokih energija ......""......"....... 0 21Akceleratori 0 0 0 0 2 2Anticestice 24

r.......I.fIl,I...IIII.

CIP - Karanortuaunja y ny6nJ r l xaUHj~ tEll6J lJ IOTeXe Maruue cpncxe, 1-loSH Call539.12

IIIIIrIIJJ!~,~...

. .Ita,P I Y . . . Z" : e ne ae rr ra pu u y no n Y (~HJI"ll(y eneveumpuux secrnua / 11 . E.

OKYlb ; [npeneo c pycxor lvlunOH H ux on uh , - Bcorpan :


3/51

.. . . . F a. ,~. f ,...~ 1 r. , . . .. . . ! .!~ / . - - :- l, - 'i-'. .; .t, , ,..."t'. '~. ~ : . r ." t~,- . . . . - , . . :~~- -. II" . .. . - I~ . ; , - ; ; . t ~', ~ .~

_. . .. . ' . :1 -' .. ... - ... . ....'{~ . . . . ... .. .~~. . .. .. . . . ', -. ... - . . . . ... .

,I _

~ : . .. .. : 1 _

l .. I. . . . .. _.

j-~ ..~.,i .. . . . . . . . .~.... . . . . .I., ; 4 . ,r_. . ,.' . .. I I I ' -

._. - - ; . . - -....., ..., .. .t _

- :


9/51

- . ' -,~ ~ ~ - , . ~ ~ ~ ~ . ~~ ..~.:~ \ - ..-.

. . - .- - - r '- - ~. . . . . - ...r' . ~~ . \: .

_ ' ' _ .

__.

- 'I. o f '1r ..t -..II'i1..fI~f'W"" .I :t..._.i~,.,.'tIII....:,.!...;f._,ItlIII.III 2 2 t 2 2P = = p x T y +pz,

- . - .... .. Ir _ p :. . . . + Primeti rno daje za Z cm lju , koja sc krece p O orbiti brzinom 30 k r n /s , p a ra r nc t ar

V2/C1 reda velicine 10~.Za avian koji lcti brzinom 1000 k~l/caS raj pararneta r je jo smanji y 2 /C 1 . ; : :; : 10-12 Znaci za avian, s a t ac no sc u ad aka 10-12 , vaze nerelativistickejednacine

t " ' ~ . ~ .,I~t-.'. , A jnstajnova rcla tivnost uvodi pojrnove ukupne encrg ije. i e ne rg i] e r nir ov an ja .K in et ic ka e nc rg ija T je povczana sa ukupnorn energijom E relaci jorn:E = Eo + T,. . . . --" ' - ~ . _ t'.~ . '

' " II " _ p

, - .': . - 2T = nt v2 ' P = - m Y~ ~., - g de je Eo - cnergi ja rnirovanja, povezana s a m as om tela m poznatom formulom _ - , . . . . . . .. . . . . . E 2,o = nlC .. ..~ .. ' p ,~ - - I -. " ie la ti vis ti ck e k or ek ci je s u z an em a rl ji ve .

V ratirno s e form uJi koja povezuje kvadrat mase sa kvadra torn energ ije iimpulsa izapisimo je U obliku

~ . I_. .I '

- ,.

-Fotori , ~.ija je masa nul~, im a icnergiju rni rovanja Eo [ednaku nula. Foton uo .mi rovan ju maze sarno da sanja"! * On , se uvek krece b rz inom svetlosu c. Drugetc es tic e, k ao elektroni inukleoni, i rnaju masu razlicitu ad nul e , stoga je razlicita adnule in ji ho va e ne rg i] a rnirovanja .

_Za cestice sa n z ; o ! O r e la c ij e e n er g ij e ib rz in e, i mp ul sa ibriine u Ajnstajnovojmehan i c i irnaju s le de ce o bl ik e: vCinjenica da 1eva s t rana j ed na ci ne o st aje nepromen j ena pr i prelazu iz jednog u drugii ne rc ij al ni s is te rn jc a na lo gn a in va rija ntr ro sti k va dr ata impulsa .

. '.. 2 2 r: 2 2 2 2m C = ( .L / c) - px - p,- p . . ..L ' '1_- .- I - . .r "_~ , ;

- - - I

~ - 2' '. 2S = (cr ) - r

r ' -i - - _-I + +,- ..\-' ' -~ .: - .' ,. r' I

EvP = 2C . _. ,...,.... d .oX I I I 2 ct EZ 2 2lU"O a vazi reiacija znc = -pC.O ba cla na sa desne strana jednacine se povecavaju kada se lela brze krece, alinjihova r a z l i k a o~taje konstantna iii, kako to I iz ic a ri g o vo r e, ~ , ~ _ n y _ a r . ~ j _ ~ . ! ! ! _ ~ _ ~ " .as ate la je r ela tiv is tic kl in va rija ntn a, an a n e z av is io d koordinainog s is tema L ko mpos rnat ra rno kretanje tela.Lako je pokazati da Ajnstajnove, r el at iv is ti ck e j ed n ac in e za irnpuls ienergijuprelaze u o dg ov ar aju cc N ju tn ov e nerelativisticke iz raz e k ad a je vlc 1. Akarazvijerno desnu stranu relaci je E =m c2 I v I _:'~2;ct u red p o m alo rn paramelruV2/C2, lake je dobiti izraz: . -.

2 Z 22 1 v 3 vE = m c (1 + - - 7 + -8 2 + ...) 2 e M c... -,

~_ r - ,J - - - .. - ka o ikvadrata svakog trodimcnzionalnog vektora pr i rotaci j i koordinatnog sistema

(v, s liku 1) U obicnom Euklldovorn prosioru. Oslanjajuci sc na tu analogiju , kazernoda velic ina nt 2c 2 predstavlja kvadrat ~etv9rodimenzionalnog vektora -~ et vo rQ di rn en zi on aI no g i mp ul sa PI' (indeks u zi rn a c ct ir i vrednosti: It = 0, 1, 2 , 3 ):

.. - .-~ - - .i _-! ! ! . . . ... - -. - -~.. - .

, ,r - . . 1( . - ,. , -_IT " ... . r .. .. -;. . .. - . - - -. . . .~ . . -. -1 1 0 - ' 1 :. "" " .

. . . . . . po = E / e,p) =r- . p z = P Y ' pJ =P l'

, .~ --I .

~ .Prostor u kame je d ef in is an v ek to r P " = (po, P ) zovcrno pseudo-Euklidov, Oznaka"pseudo" U o vor n sluc aju znaci da invarijanta nije surna kvadrara sve cetirikomponente, nego izraz

, . ~- ' .. " " "

, - . - . .. .. -. . - ..

.. - . - : - _

- - I . . .1 _. L ". ,. . II.. . . . ~- - " -... - . .. _.- ' -

Transformacije koje povczuju vremenske iprostornc koordinatc dva razlicitainercijalna sistema nazivarno Lorencovi rn transformacijama. Mi ih ovde necem onapisati, nego cerno reel sar no to d a, aka su d v a d o ga d aj a hila razdvoj ena u vremenudis tancorn Iiu p r os to r u r a st oj an je r n r, t ad a s e v el ic in a s, k oju z ov em o interval

+ 1 L.isvaki put procenjujuci rezultat za x = 0, lako se rnoze proveriti njegovo vaienje (z a x 1odbaceni tJanovi su zanernarl j iv i ). Taka u n as er n slucaju: . nemenja pri Lo r en c ov im t ra n sf or r na c ij ar n a, tj. an a je L orencova invarijanta.Naglasirno da ni _ 1i ni r n isu sarn i po scb i I nv ar ij an t ni . Aka je s > 0, in te rva I je

, ,vremenskog tip a, a ko jc s < 0, on jc prostornog tipa, aka je s = 0, on je svetlosnogt ipa. A1.::o je s < 0, onda dva prostorno razdvojena dogada]a mogu biti istovremcnou jednom koordinatnOlTI sistcnltl ineistovremena u drugon1.

P osm atra jn lo sad a s is tenl It slobounih, nleuusobno neinlcrngujucih ccstica.~reka je Ei - cncrgija i - te ~cslice, P i - n jc n i nl pu ls , a nli - njena nlL1Sa. LTkupnaenergija in1puls s is tenla su:

~ . . . . . . . . .r-- ..~I-.t_ +_ It ~ . ~t -.i.'~..I - _r

f (x) = (1- x) -lI2JI' (x) =~(1- x ) - J l Z ,/" ('r ) = % (1 - x) -512 ,

IIIIItifIIfI

f (O ) = 11f ' {O ) =-23---

. I -- - ,

f"(O). ' 1 ; Prim. red. P a ra C r az a s ti h a iz. pesmc HHa none KYJ1HKOaOMt1 .l"\Jeksandra Bloka. IIIJI1\II

~ -

98" .-

oj .

- " "I., " I ..


10/51

. .- '. .~

T + . .I ... ~... "

Aka se nalazi u polju stle, cestica e n er g ij e m i ro v an ja Eo ik in e ti ck e e ne rg i] e ,T,i rna jos ipotencijalnu energi ju U.Taka da je ukupna energi ja u tom s lucaju SUI113 nedva, vee t ri s ab ir k a: E = Eo + T + U. Potencijalna encrgija je jcdnaka, sa zn ak omminus, radu koji je potrcban ulozi t i da hi se dva tela, u u za ja rn no j in te ra kc ij i, tela'koja m iru ju , razdvojila na tako veliko rasto jan je da se ,nji~?va mCdus~bnainterakci ja rnozc z an cr na riti. Iz te definici]e sledi da je potencijalna energija u...slucaju privlacenja negativn a. ' , . .. ..

' Ovde treba napraviti digresiju i eci nesto 0 jed inlcarna ene rg i je imase. Kao j ed in ic a e n er g tj e uIizici cest ica koristi se elcktronvolt (e V)iz njega i z ve d en e j e di n ic e :

." .I

~ ' _ . . . . . . . . . . . _. .,.1 ~. .~.:.~ ... .~...I ~," r . " . t ' : ' t

. . .I

p -,.,,. . ' : ' :I '

' . 1 0 . . ..r p .

. . ~ = ' , . . ,. + - ... - . - _ ... . . . . . . . . . . . . ~I

T [J"" : .., ". . . .,

, . . - . :! . . : ..

:~, .1,_", : _-. . . . . - ; -I.- J- - ' ~ : .,. . - _ I, ..- .. . ~/ = - ~ . , . .,.._ - a r ,~ - - - -.. , I.. ',.:. -~ _~ t- . ~ . ~" 1 ' ,).:: ..

...;lI(1tjt1

uT U{r)

~. ,r 9 12lkeV = l03eV, li\1eV = 16 eV, IGeV = 10 eV, ITeV = 10 eV e .- I - _L . . . . . - ..I '. ~ '". r . .:+ ..- . ~

.I - "

Jedan elektronvolt je jednak ener giji koju dobija e le k tr o n p r ol az e ci razliku potenci jala ad jedanv O I L Aka se podsctimo da jc 1 diul ( joule) = 1 kulon (coulomb) -I volt i da je j_edan kulonjednak ukupnom n a el ek t rl sa n ju p r ib li in o 6 .10 18 elektrona, lako se dobija

tItII . ... ' ... _ ,.t

. T

SJika 5: Relacija izmcdu kinetickc cnergije T ipolencijalne energijc U satelita: e je energija veze,, ' .... .. - 1 9leV = 1,610 I. Podefiniclji energija veze, e jc '

- "1 '- . .

~

Elekrronvol t sluzi u f iz ic i e le rn en ta rn ih c es ti ca j kao jedinica mase. Tacni je bi bila r cci da se kaojedinica rnase koristi 1eV I e2, .gde je c-brzina svetlosti: E =- (U + T).

..~I ~..

Medutirn, fizieari koji se bave sa clernentarnim ~es l icama , po pravilu, koriste c kao [edinicubrzine i ise vole da ne pisu c, t j. - rade U sisternu jedinica gde je c = t. Tada je rnasa elektronam; '*" 0,51iMeV,r n as a p r ot o na Inp - 938,28 MeV,masa neutrona Inn" 939,57 MeV.

V ratir no s e sa da k re ta nju t el a U p olju c en tr aln ih s ila , obrnuto proporcionalnihkvadratu rastojanja ad c en tr a sile , Korlsteci j edn ac in u n e r el at iv is ti ck e mehap_i~e;lako je urvrditi da je pri s ta ci on ar no rn k re ta nj u satelita po kruznoj orbiti aka Zemljeili elektrona ok o atornskog jezgra apsolutna vrednost potencijalne ener gije d va p utaveca od kiriet icke: U= -2T. Zaista, Njutnova p ote nc ija ln a e ne rg ija je:

,Za Njutnov poterici jal E = - U /2 = T. Vid imo da je r na sa s iste ma " sa te H t +Z er nlja " m an ja od zbira masa satelita iZem lje za e / c2 E ne rg ija v ez e sa te litapovecava se kada se satelit priblizava Zemlji,

,Sli~no je i nasa aloma v od on ik a m an ja a d z bir a r na sa elektrona iprotona itakode zavlsi ad toga na kern s re dn je rn r as to ja n ju r o d je zg ra kruz i elektron,O dg ov ar aju ca r az lik a r na sa se zove defekt m ase (po rnn ozena sa c2 on a je jednakaenergiji veze elektrona). ' ...

"

J L .., .. leV I c2 ::: 1,8 .10-36 kg. " ; !.- _ .. ~

I.

. ., ~. I. _ r. L ~. . . _ . . . . . . .

.... - .

- -I ...I . KV ANTNE POJAVE .,, ' ,

I

I r__~ ~ o r " ' r " .... .

- ~

u = . .. ..GN Mm I r .. L Kad -0pisuj erno.at om,~~jm'i~~6v.opliNef~or:J~ddj: fr t,~,ta~,tqJaj u . .i zm ed u el ek t ro n a i . :.. '" .. . ~ .. , .. ... ... .. ' .. " L r" - _ .. .. " . :., - : : 1 1 . ' . . : I . I r _ -.. . 1 - 1 1 1 .. . : . .: ;. f ~: - ~ ~ : . '~ . : : .. .~y . ' . . , . ~ "} ~.L ~ . ~ . ~" , ~. ' !" .~ '- : ~ "' .: . . .. .Hjezgra, a ne 0 radIJust1:0tlJJte{~atd SlO, ka o s to s ma ve e naucili, po zakcnirna kvantnemehan ik e, e le k tron> "U '' 'a tomu ,' z a razliku od satelita, nema odredenu -orbitu ., - . p _ ~ - - ~ I _ - ' ' .r

~,,_ : ~ .., .. .,

+

,. f. .

. . ,. . . . . . . . . : - ~

, .

ovd e je r - rastojanje ad sarelita 'do centra Zemlje (centra sile), m,> ma sa s at el it a,J .\/ - masa Z'emlje, GN - Njuinova konstanta (GN : : : = ' 6 ,7 1 '0 -11 nIJkg-1s-2, ali za naserazmaLranje brajna vrednost GN nije bitna).

. ISila g ra vita cio no g p riv la ce nja s ate lita Zcmlje je F = GN AI"l / ,.', a n Je g~ voc en lr ip cla ln o u br za nje je jc dn ak o v2/r. Po~to je kineticka energija sarcl i ta T = 11Iv-/2,dobicen10

,jII;JI

,Za -raz1iku ad energije satelita, energ ija elektrona u ato rnu , a sam im tim imasa 'ator na, m og u im ati sarno d is kr etn e ( ne neprekidne) vrednosti . To takode zahteva

k v an tn a m e ha n ik a , ~jjim sc zakonima pokorava kretanje najm~njih ~estica 'm atc rije .. . . . t ' "~ .'~" ", yainu ulog~ U h.'vantnoj mehanici ima fizicka veIi~ina~S/koja se zove dejstvo.

Dirnenzija dejstva je jednaka proizvodu dimeni'ija energije ivrem ena; , y. . .

. I ~ . . .., .

T . . . . . . . . . . . . ~~I

- .- ..~ .I::.;_ .. ',. ~ .. ,

13

r =.:, ' . .. . ..--.. .. T = GN A fn z / 2 r taka da je T =- ~U .

~

,I. , [ S ] = [E ] [ t ] ;

~~ 1 .. P . : . 1. , . ' : 0 ;A:};~d;.~,~. . . . :-.: .. ~... ..~ . . . .Zcvisnost U od r irelacija izn1edu U iT predstavl jeni su na slici 5. Na s l ici jenri !(3Zana ivclicina E, koja s e L ov e energi ja veze.1

ovde zagrada' [ ] o,zna~ava dimcnziju veJicine koja je u n jo j. Ka!(o je ',

+

12. ~.

.. ,I t:.~_. .


11/51

. ,,-

'r

gd e je I - duzina, a m ,- rnas a , lako je zakljuciti da jc:

Kao ~(O jc u teonj: rclat lvncsu fundamentnlna k o n s t a n t a brzine svctlosri cJ ! ! t r . ' . . . ~ :_ . . . . '. . . . . '_ . _ . . , . . - ,t aka jc u kvantnoj mchanici [undamcntaJna kOnstanlalk~a~nt d'ej~t~'h1on se zove i'P la n ko va k on st an ta ):. ~: .~ .

~~'~('.~ L~ ..

. . ...~

-h =1)054'5887(57)' lb-J~~j i ; ~ : _ . : - ) ; ~ , > : " #.. . 11 -,.Aka pogleoamo ova] b ro j, la ko je shvatiti da je za sve m a kr os ko ps kc p ro ce scvrednost S ogromna u porcdenju sa h. Zbog toga se makroskopski procesi taka

dobra opisuju klasicnorn nlehanikom J a kvantnl eteku u njirna su zanernar ljivi..lvIcdu.tin1 J z ~ e J ek t :o n c U atornima dejs ivo S je reda velicine h, pa su kvan t ni

cfcku domlnanl~l. Iz ~a zJ ta p osled ica k va ntn e m cha nik e je tzv. k-vantiiacijn-l!,gaonog~ ~mg~_~~ a; ~~a ko J e p ro ve ri u d a ugaoni momcn~/jI?~j7_t~dim'~:nzijf! :,~~l);*Jin_k(jva~~on~~!._~~.-:, r~ko, u skladu sa k~vantno_m mchanikom, U a-oiif :inomcnt orhhii"lriog: If .f rG ~ a nJ a ' CSl1~~ ~q~~ in:3 ti sa~o vr~dti-osti d~lj ive. ~ a : , ~ _ 0 rojn~~-_i.frnrio.~ke;~n). 'svakoclnevnom ZIVOIU nn ne pnn le cuJcmo tu diskretnost gaonQg momen ta , zato stosu ugaon i m omenti rnakroskopsk ih te la izrazcni u jedinicarna h zaista as t ronorn sk ib rO jev j, a ip re ~ iz n os t m a kr os ko ps ki h merenja nije dovoljna da bi bilo moguce,recirno, ked obicne dc~je ~jgrc prirnetui diskretnost u gao no g m om en ta. Ali zae le ~t :O l1 e u . a tom ir n a velicina h je pri rodna jedinica rnercnja ugaonog momenta.N.aJnlie orbi talno stanje el ek t rona i r n a ugaoniorbitalni mornentnula, -b = 0, dokvisa s ta nja i ma ju L = _ 0 , 2h , itd. '. ' . . ~4,

:.I _:.~-. -., : .; . . : : .

i.

..

-

~ blik o ..~go ~ to' parad~~~?l~~ ; ' ~ Y ; t r u 9 ; ' : : i a n;;?! '~1:fir.tJ~~~e~~.veliCiq,an,n~~~S.~-~i~gao.n 1", -~.o r ne nt " L ~ ; ~ - J tl,:- . Il~g'~J~' - i / n f ~ g Q x ~ ~p . ! P T e ~ J f t ~ ' ~ q : t d t n m 1 ~ 1 ) S e - ~ ~ ~ J ; P J E ~ i l i q ir m a u sa r no ceJob r o jn e vreunosu (u j~aIH1t~~nt~: , ,~,tfry~!ad~~tt~cro~fl! :~1~~~~c~,~_"--~~.. V azna osob i na ave kvantizacije jc d a, d ok p ro je kc i] a ugaonog m om en ta c cs tic e

n a j ed nu od koordi~al~jh OS3. n a p ri me r, Z~SU. i rna odredenu vrednost, projekcijena druge ~v e ose (: r i ) je nerna]u. Kada se ave p ro jc kc ij e m e re , bilo koja celobrojnavrednos t ~zmedu +1 i-/e moze p oja vili s a kona~nom ve- rovatno~om. Ubrzo cernase vral i t i ? rOb~~ i l i sJ i~k~ j prirodi k-van lne n ie ha nik e, a li p rv o lreb~ da upoznamo vr l 0v a z . a n p O J a m f lz lk e ~ es lIc a - p oj am s p i n a . . ' ,

Por.e~ .o rbi~alnog u~aonog mom~?ta ~!bri+~'ri'i~rn~~:-;~eSlj~ehiiajti~TOdiea.eJ}e'.,v~e~_~~suso stv:-r~~-,-U~P'~~~_~n1,?::~SJ!;I .~>:T., ,~~~.tyr~,dn{>sti s - p i n a , ~ . - s u _ u m n Q _ $ c . i Ii 12~_.#!rl1(o . , ._~,...~,,_.,'., k l e Q r t J i . t l 1 ~ j ~ _ " s p i r r : : J Z 2 . ~ f < J C d l ~ _ I ~ a ~1.a_Ji J , . ' - " . - ~ a - ! m ~" __ _ ~ '1 S L i c e sa,pol~c;eH--' -u,J',e'riinica r n a - ' d - : - 0 '- ' : i ' _ ., . . - - . - ' - _ ( ' , . , " - " ' : ' . " ' - - : .ce - .,-. ' -",,.,:.~.:'--'>~?-'"-_;! -;~~~tfj.~:i:U~~t"


12/51

r l. 'r . -, . . . . .

. , , - - -~ _.

~ - r~ . . . .r. ~~ .. . ~.. _ -

.. :~'; " J- -": .. . I I I .. .. - ,, 1~~.

- - ' . .~ [, - .. , . ' -. I..~', .-. .. _.. l~ - - '. .. - - ...L - -. _ - '~.. .... ~.. _.. . . . . _- . .

r"--, - - .... - . . . .- i. . - _: r 'T .I::. - - - ..- + - ..," - .:I - - - .. . . . . . . . ,.. .\:~::. .~. __ - r .. .. . ." , r . " . - . -. r '~ . . . .. -.. - ' + .. .~ -, ~ , _ r.. - ' - . . _ _r _ _ .. . .. _ - - - - +

. _ . . . . . . . . . - + ..~ ' " , ' r~ . ..' .

T _ - -. . . . - - -- ... -- .. '- - ." ~...

. . . . . . . . . . _ _. ,~ _ ... - ' .~ . . . .. -r _ . . ~J ~- ... - -. .. ' " -t. _ :...r

j ... . ., , ' '- - ,~~ .~ . . " , - : 4 -. - ..- ..

. -,- - . . . . . .- ~.'- , . -. ,- . ,

. . . . . . . - - _.- . - - .. -. . . . . -

~. ..

.... - . . . . . . . . . --- . _.-~ .. . . . . .. . . .! - : -...' -

-. . . . . . . . . . . . - - .

. .. _ ...~ .- - . ..r 4 . + .- .. '.~ - . . ~. r - -. r - - - - ' ' . ~ ..

. . . . . .r _ . .~. - ~~. : - - -- - .. ,+ . r- -~ . . .. . . . . . __ . . . .

: ~ ~ '. .. . . . . .- . .. - . T . . - ..~ - .- - . ;~ .. . .. . .. .. - 1 .r ~. . . . - ~ - .. . . . . . . . . . . .

~II! ' - .. .. ..., : . "1 ''' -~ . .. ,. - -. .. . . . . .

r .r ... ~._ r _ -.. + + .~_ ...

~

. ,

Koristeci rclaciju neodrcdcnosti, rnozcmo proccniti red velicinc encrgije vcze e clekt rona koj i scnalazi na osnovnorn nivou a loma vodonika. Napisimo izraz za potcncijalnu U i kineticku Tenergiju elektrona:

2eU=--r '2T= P .' h 1 z c

~.

iI~~~~I,

..r .Tako, s va ki m o lc ku l, svaki a to m, s va ko ntornsko jezgro (izuzcv najprosti jih ~

proiona 'i ~eu[ron3)inlaju, po red osnovnog iniz diskretnih pobudenih stanja. Izr an ije recen og je jasno d a su r nase molekula, a to rn a, j ez ga ra u pobudcnim stanjimavece ad masa U osnOVn0111 s tan ju .

...Relaci ja neodredenosti na rn daje p = h Ir iPO~[O je 2T = -u (v, sliku 5) imamo,f l !le

o dak le je

1!t~l'~jI

..+IttiI~tttfI

ATOlVISKE I NUI


13/51

Ih.

f/._ _ .- ..

, '..~. .'.-. .... -~ .~'.

}.

promeni brzine naboj a ta pObudcnja ka o da se "Olresaju" izlecu U obliku sJobodnihIotona,Pobudeni atom i z racc n e sarno vidljivu sveuost. Aka je atom tezak iak o su

p ob udcn i vrlo b rzi elektro ni 11 n j eg o vim u n ut ra ~ nj im ljuskama, dezeksci taci ja sedcsava em is ij om r en t ge n sk ih zraka,Poput atorna ipobudena jezgra z race Catone . Sarno . s r o Iotoni koj~ emituju

atornska jezgra (nuklearni )"-k"a~, ti) imaju daleko vecu encrgiju 'od atomskih fotona.(Encrgija vczc elektrona u ato ln u~ odo nik a je 13,6eY, oak je e ne rg ija v ez e nukleonau jezgru priblizno 8 Jl .. leV.)

Prj dovoljno vclikcj energiji pobudeno [ezgro rnoze d a em it uj e idruge cestice,a ne s ar n o I ot on e . Raznov r snos t takvih nukJearnih rc a kcija je v elik a. A li sve ih jernoguce podcliti n a dy e vcJike g rupe. U prvu g ru pu s pa da ]u r ea kc ije u kojima izje zg ra iz lc cu p oie dtn ac nt n uk le .0 ni iIi ca k grupe nukleona ( k l as t e r l - j ragmer , lije zg ra ). T o se desava, na primer, pri a-raspadu (naporncnim o da je -cesuca _jezgro aroma helijuma j da sc sasroji ad 4 nuklconaj iii pr l Iisiji urana. U drugojg ru pi s u r ea kc ij e u kojima visak ~ n er g ij e n e st ab i 1n o g j ez gr a o dn os e c es ti ce k o ji h dot re nu tk a e rn is ij e u [ezg ru nije bilo. N ajobi~n ijj primer te druge grupe reakcija jee r ni si ja f ot on a .

S ad a c er no se upoznati s a d r. ug im primerom - ernisijorn 1Zjezgra para cestica:eJektrona ineutrina. T a pojava je orkrivena k r aj em [ p ro ~ lo g veka i' nazvana je(3-raspad.

"- : T .~....-... -. . . -: I

,r... p " :.

:".

.. -

n.- ~ - : :_ . . . .+ - ~ . . ~ ... '\.. ~ .

. . _ " i~ :l. .'. - -.- . - - - ~..., ~. .; - . .~h- ~- " ' " " " - :""' . . :~ : ~

I . ~ .- . ' .. ......-~ .

.... . . .~. 0 . : -. ,~...~--_.. - ....." : 0 . -- .-! ...Raspad neutrona jc moguc jcr jc rnasa neutrona veca od z bi ra r na sa p r? to na ,

elektrona iantincutrina. Ka o iU slucaju emisije y-kvanta iz pobudenog Jezgra ,':,~~.e~t~ce~~ }1;?~t,~J~=~~~ra~pa~,~~ - : ~ ~ ~ , ~ r ? , r : t ~ , n ! . s , y~ : R : g ~ . ~ " p ! ~ ~ ~ e , u~!.e~:u':',,;r~,~9~::v e c ~ ~, :",~,~~~t~leU'l~~W'asif~~trcsaJutl se" sa nJega. AlI dok pr t prorneru stanja! ~ : ~ : ' a t o ' r n s k o gelektrona nastaje !edn~ c es rlc a - Io to n, p ri p re la sk u neu t rona u protonnastaje jstovremenc par cestica: elektron plus antineutrino."

S a g le di st a zakona k on ze rv ac ij e e ne rg ij e iirnpulsa p r oc e s , B- ra s paU 3. SC n~razlikuje ad drugih procesa ko je sm o dosad upoznali , Medutirn o~.pre~slavlJa nO~ltip fu nd am en ta ln e s ile sa k oj ir na s c rn i d osad n a stranic~~~a ave knjige .nlsmo s ~sr eh .G ov or ili s rn o d os ad 0 gravitaciono] in tc ra kc iji. G ov or ili s rn o 0 r a zr um m a ni fe st a-cijarna elektrornagnetne intcrakcije, izrnedu osrulog, 0 privlacenju .sll~r?tnonaeJektrisanih tcstica i0 ernisiji iapsorpcijl COlona. Im plicitn o sr no se dotical i 1 tzv.jake interakcije, koja drzi nukleonc u [ c zg r u . uJakom" sm o tu interakciju n3~n1i Z~lO~t o su nuklcarne sile dalcko ja~c od clcktromagnetnlh, 0 ~cmu SVCc JOC l vclikae ne rg ij a v cz e nuklcona u jezgru. .

U p - ra sp a cJ u se sr cce rn o s a p oja vo rn cctvrtog tipa Iuudamerualn ih stla ~- sapojavorn tzv, slabe interakcije. "Slaboln" sc an a zove zaro sr o Sl~ u s~~kOd~cvnomzivotu n je nc m an if es ta cij e p otp un o znnen1arljive izata S10 U atonl1m.~ 1 J e~ g rl ln a o l: adeluje daleko slabije ad jake iclck trom agnetn e siIe a procesi kOJlpOl1~U od I 1 J eimaju nlanju verovatnocu istoga teku spo r ije . . ,

Ka~ ~to je p oz na t o, u m ag ne tn om p olju y-zraci uop~te ne skrecu, a ai3 ~:acisk retu na suproLne stran c. kao S lO j e to prikazano na c rtezu n a koricanla ave knJlge.S eta ffi se j edne ad dugih vecernjih rasprava 0 buducnosli fizikc. koje je pre m~ogo"godina vodio sa svojinl ucenicima isaradnicima voda teori jskc grupc InstHurateorijske i ksperinlcntalnc fizikeakadcnlik I. 1. Ponleran~uk. Za vrcm: ~e rn~pr a~ 'cp o zn a ti s lr u ~n j3 k za h.-vantnuelcklrodinanl iku pro[esor V. B. Beresleckl J e . p nnl c ll ~da p om en uti erlez, koji jc u~ao U svc. SkQlske udi.bcnike, moze da ~~de slmboJ tnf un da me nta ln e i nl er ak ci je : a-raspad je nlanifestacija j ak e i nt er a kc IJ c, f i-r aspau -slabe, a y-raspad - elektronlngnetne_ Tokom prvc polovinc na~egv~ka fi~ika sva l~cod ave tr i interakci je se izdvoji la kao posebna nnuka. Dan a s dolazl do slnteze llhnauka no 0 tome cerna n a k ra ju knjige. ,' -

...t ..

~~ ... ."- + . !' . - . : :1

' . , , ' . ... ' _ I. . . .. .-~~:" .- . . . . .., ._.. . - : . . . . . ... ,.. . . . .. .j_~

-t"" ! " " ~.i:. .-~~.,....r_.

~~.......i-,~:..).,Ji

-- . . . . . . .- - . ", . ~. . . .- - - + .+ . . . .. -. r - . . . - .. . ~ ++ .. "~ ~ .~. . .~- ...

. . " 1 ' ;" - + . . . . . . . . ... ,. ... . -. ' '. . . . . . . .r

,5MBA I JAKA INTERAKCIJA

_.. . . . . . . . . . ~ :: r _ . ' , ,; . . . .. -: . . . . ..I . . +

. .. - .. : :L.. .-: ...- . . . . . . . . . I .. .. - . .. .. . ~ ~ . . .. - ' ::. .. . . . .. I. :......i!'

I I . . . . . r. . +- . . . .-. ~1

)..;.. ~s ,

j-.-...... .. . - ' I.. . . . . ;.. . . .. . - I" . '! -. - + " . . .... - " . . ' . . .. . . . . .. _. . . .. .----""

,T reb alo je dug o v rernen a da se iden tifiku je p riroda ~eslica!ko je se ern itu]u up-raspadu. Jcdna ad tih ~eslica Irna elektricni nabo ] , a druga je elektricno neutralna,,Sve d ok p rv a c es ti ca nije identifikovana kao etekiron, nj u su nazivali p-lestica. (Samelektron je bio otkr iven m aJo pre otkrlca ,B-raspada.) Ubrzo posle otkricaradi oak t i vnos t i ustanovljeno je da postoje tii t i p a radioaktivnog raspada: a

Jf3 i._ l\1i

danas znamo da su & -z r~ ci ~ jezgra helijuma, "P~zirici ' ; " el~klroni, "3 y~z~aci'~"- '- -nukJearni )'-kvanti.. Y

~o~etkom 30-tih godina p os ta Jo je jasno da se ' p r i ,B -r asp ad u n e e rn itu je sanl0_ ..el ek t ron , nego i neka druga ~estjca koj a je elek tr icn o n cutr alna . N azvan a je '

neulrino (na i tal i janskom to zna~ i "neUlroni!ic"). ,N aj pr os ti ji p ri me r p-raspada je raspad sJobodnog neu t r ona (s lik a 6 ), u kame

~sc n eutr on lr an sr or mj~ e u proton , em iLuju~i elektron i neutr ino ( (a~ni jea nlin eu tr in o; z na ~e nje p re fik sa Hantin o b ja sn ic e nl o u sk o ro ):

.. -

1t --..;~_~...- ' " _, : 1 '

" ': .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . _, ..... .. ,.~ . ~ . i ;. . . . . .. - 1~ - ' . I II !:.. . .p ~ ..+ .. ..: , . . . . . . ,...... .. .. ~ + - .

-.-,

_...

.,. " " " " " " ' " " ~. '. .. .." ' + . . . . . . . I. . . . . . . . . -~.~. . ~'. iI. . .. ~ . . . . .. : t.._ ~ t k "-.~.., . -- ~_'- -~~ : . . . i 4 !. \ > ; r ' f . -~ .

.- ... . ' +.. .. .. . . . . ~ . . . .. . . :. . . r-li(- .

I ; i7" . =

II-+ fJ + e -. + v. . . .' .

-' Neulri~o se obele2.av3 grckim sIovom v (ni). 2 ' . . : l obelc7.avnnje an[jneulrin:J i znad v se sl3vlja.crla~(ilj Zllax l jlda ".) .

18 ..19 . ~-. : . :i~. ..: . - .~. . . . " :~ ..~4~. ~I J _i....' . .. . 1 1~ ~.. ~ L " ' : ~. t

.

'

. . . . . . . . . . . . . . . . . :. -- .. "Ii. , 1 . --. . . . .. .


14/51

r.- :~ .l .... -l-.~ .I I ." _ : . .- A s ad a n as ta vim o r az go vo r 0 ,B -ra sp ad u. N a p rv i po glcd m oze izglcdati da svetuopstc j covccanstvo posebno mogu postojat i bez slabe intcrakci jc, Zais ra ,B-raspadj e p r il ic n o egzoticna p oja va . A li takav bizakljucak 0 n e bi tn o st i s Ja b e i nt er a kc ij c bios trasno pog resan . D ovoljno je ree l d a b i sc, aka hi b ilo moguce ..i skl juci t i " slabu

jinterakci ju, nase Suncc ugasi lo,S tvar je u tome da je k ljucn ] praces, koji o tv ar a p ut s vim da ljim n uk le ar nim

r ea kc ija rn a n a S un cu , proces tr an sf or rn ac ije d va p ro to na i le ktr or ia u d eu te ro n D i

f ~ --l . -;~ -\ ~ 7 _ :r . ' r - ,

I P - + .

~

0

7 ' 7- - . ' . '. _ i- . " !

- , 7. .', . - . . . . n e u t ri no Yeo, -... - .. .

. " .r . - . ... r .~!..1"I _ I

7 . : pn. . . . . . .. . . . . . . . . . _-_r .. . . .. . . .

p vf 0f . . ,, '~-- ' . ."

0 - , ~ . _ 7~ '- , . rt : : ' _ . . ' . : o

, . .. 10-_ ..- -Slika 7: S l a ba i n r er a kcl j a P +P + e ....D+v. f

~; ...( .. o r ,. ' _ L. . . : " . l. ~ "i 'r , ... . ... 0 t 0I'" 0 , I1- 0 l~-.-,- 0, ,-~ -

p \D. .. .. pn. ~~ .. . o. -( ' '. - .' . . . . . ... -. .E : . . - ~ : .o~ ~ A.. -:- ' .~, " .... _ . . . . . . ..-~ - . v

. :~~ ' ~I .\ _ . . ~ o .~" . . I

" I , !r . .. r. ' .

... ... ..r._-.-L'-.~.~.._ -

J .

t _ - ' ; ' 7 ~ ' ' ' ' 'I I. _ _I -L - - . : . ~J .l .~r . . .. ._ _[I . 0, ,

.. ', ... . . . - ~.~-S li ka 8 : S ia ba i nt er a kc ij a p + P ... D +V + t!+. ~

'+

Primetimo da se direktni prelaz (slika 7) " .. \.~:.---.. .( I I : I I '1 .t., . .. ' r . . .~.~li r ~, - 0 -r , ~ ~ ,- . It- - - ~i 0. - , ~

\ - I -. . . . . . . .

\o.... .. p + P + e-_. D + v - . r

dcsava sarno u 0,25% S)uc . : i jcva . U 99,75% sluatjevareakcija sc odigrava u dY e faze. U prvojfazi rada sc pozilron e + u rcakciji (slika 8)l~-.... -- . -- , 0- ' " -'. ', , -,..,~ .t.._.,o 0 0~ - ..- - ,- - .. . . . . . . . +p+p-+D+y+e .Udrugoj f 8 Z i dolazi do anihilacije pozitrona ij e dnog ad sun~evih elektrona u [atone:

.. , . . . . -~ .~ . . . ; . , ' . , - 0. . - - -= ... ,_ '; '_ ~ .. "'~. . . . . . . . .. +. . . . . , . . . .. . . . . . . . ... . ...~ .. . o pozilroniIna ianihi!aciji gO'v'orice sc pcdrobnije kasnije (v. odeljnk , , / f .n liceslice") .- . . . . . .i0 0 ~. . t -~I - ,- - - ..t ~ - " . , . ~.-, - .- .. .

0~I r I. . . . . ~ ..20

- . - - .' .. ~- I "

III. I:JtIIII~ N apom en in lO da deuteron D, j ezg ro dcuterijuma, teskog izotopa vodon ika ,prcdstavlja vezano sian]c protona: incutrona. N a s li ka rn a 7 0 i8. ta lasaste lini]c

sirnbolicno predstavl ja]u j ak u n uk lc ar nu i nr cr ak ci ]u , koja povczu]c proton ineutronu deuteronu, Encrgijavcze deuterona jznosi pribl izno 2,2 Al e v : Ako uzrnemo U obzirda je m asa neutrona z n 1, 3 llfef,'veea 0(1' rnas c protons, da ma sa p o zi tr o na iznosi 0,5A{eV, a da jc masa ncutr ina zanem arljlva (iii mazda atk jcdnaka nuli), lako jcp r oc e ni ti e n er g ij u oslobodenu u procesu predstavl jenom n a sllc i 8 . O n a izn osi sv eg a0,4 AleV.

Opisani s lab i proccs , koji u izvesnom srnis lu mozerno s ma tr ati p ro ce so msupromim p-raspadu n cu tr on a, p re ds ta vlja gIavni izvor suncevih neutr ina.M edutim , upravo sr no videI~ d a j e k in eti ck a energi ja k oja s c oslobada u torn proccsur ela tiv no m ala . N ajv is c o slo bo de ne toplote potice od[uzije dva j ez g ra d e ut er ij ur n aujezg ro h elijur na, k ojc sn dr zi ov a protona idva neutrona. Ova] proces se uglavnornd es av a p or no cu sledece dye reakci je

-1t~~!I""ifIIII..I

..I -

'D + P ~ He + y + 5,5 iJc~"- ) J 4He + He _ . He + 2p + 12,9 ft:feV

P rva ukljucu jc kako jaku , taka ictektromagnctnu i ruerakci ju (u n jo j n as ta jcy-kvant), a u d ru go j - d clu jc sar no [a ka in ter ak cija . Velika oslobadanje energi jc ud ru go j r eak ciji je povezano sa tim st o SU nukleoni U a-eeslici gusto upakovan i iimaju vecu energiju vcze. .

T a kv e r ca kc ij e s pa ja n ja jczg ar a - I uz ij c z o vu Sc termonukleame reakcije za t o s tose ~clavaju sarn o n a v is ok ir n tc mp cr atu ra rn a. V is ok a tempera tu ra je neophodna dabi jezgra mogla potpuno dn se pribl izc [cdno d ru gor n. Z nam o dn se istoimennn ae le kt ri sa nj a o db ij aj u. D a b i jc zg ra r no gla da s av la da ju to e lc ktr ic no o db ija n] c i' dase pribIiz~ na r as to ja n ]e r ed a vclicine 10-IS m , t re ba irn dati dovoljno v el ik u k in et ic kuenergi ju . I

G la vn a n ad a c ov ec an stv a iosnovna p rc tn ja n je go vo m po sr ojan ]u p ov cz an e sus a t e r rn on uk le a r r nm r ca k ci ja r na . Aka b i se u Inuustn j sk lm uslovirna mogle ostvarit ikorurolisane te rm on uk lc ar ne r ca kc i] c, to bi omogucilo koriscenje ogrornnih rczervienergije iovecanstvo bi seoslobodilo prctnje od energetske krizc. Sa druge strane,ako ogrornna zal iha vodonicnih bambi, kojaje akumuJiranai sve bri~ se povecava unuklearnirn ars en alin la svc vcccg b ro ja zen la ija, cksptodira, CQVec.. lnstvo tc biliuni~teno1l

I'.

..3I!~liiI..l,,t1rIo.1,

t z 11FIZlKA VISOKIII ENERGIJj\.Dosad sm a se sarno baviIi predznanjin13 Z3 osn ovn u tem u ov e knjige. P rCdn lC [

na~eg pr oucavan ja - fiz ika ccs lica visokih cncrgija - Berna nika~~'e veze ni S3nuklearninl cen l ra l ama, ni s a v o do n i~ ni m bonlbanlll. Cilj fi7.ike visokih energi ja jc

. .

. .-

..- .' ' .h:.

_t~-:'.'. ~

~ _ l ." ....I:,... '. :,' . . . . r

. .:\. .. ', a. . ...

.

,~.,r. . . . . . :, ..,..I.0:,

...."'::._,.

.

"

," . " ..

1.... ,r.

,

_.-f- .,:~)0." . :~~.. . .,.. ,

__.

.~. r - .. . :I _ -I I I p ,

. p I- , I' . I I~ . . . .' I , .., .. ~ . .. .' -r ; . : ,


15/51

~.-. :- .,

...,

'~,.

. . . .

. ,.~.~ .. . . . -

< . . . . .., .r- .~. :I ,., ...

~ ... _. . . . . . . . .. .

o bja sn jc n] e p rir od e. Iu nd am cn ta ln ih sila istrukt ur e elcrncntarnih ~estica. Ovakavd ci alja n u vo d posveccn atornskoj fizici iniskocnergctskoj nuklearnoj fizici bio na mjc potreban iz dva razloga. P rvo, ncm og uce je dob i t i v i se o b r az o va n je ak a do tadanismo imali nize. Drugo , p ro ce si p ri v is ok im encrgijama irnaju mnogo zajcdnickogsa procesima pri n is ki m e nc rg ij ar na (Encrgija terrnonuklcarnih rcakcija, aka jeporcd irno sa on im ~to danas zoverno . vi so ke e n er g ij e" , toliko je niska koliko je niska

. ,energija vidljive svetlosti u poredenju sa energijom nuklearnih y-zraka). Taka svereakcije n a v isok im en erg ijarn a, b ez ob zira koliko je cestica u n jim a proizvedeno, sepokoravaju zakonu odrzanja cnerg ije, D a blsrno stvorili. novu tcsku cesticu,

n cop ho dn o je prcizvcsti s ud ar c es ti ca sa dovoljno visokorn cnergijom. U pr avo za t osrno na prethodnirn stranicarna utrosili tako mnoga v remena na razrnatranju procesau kojirna lakse cestice p relaze u teie iobratno, U tom smislu u procesirna pri

- Iv is ok im e ne rg ij ar n a ncma principijclno ni~cgnovog. Ali konzervaclja energi]e iimpulsa je rutinska strana Iizike visokih energija. Njena stvarna Iascinacl]a Jezi ucin jen ici da nam je ana otkrila sver Iundarnentalnih, dubokih i, u isto vrcrne,,zad ivljujucih principa ipojava,

P rv a eta pa r azv o] a Iizik e v is ok ih cn er gi] a, poce tak 30- lih . , k ra j 4 0~ ti h godina,b ila j e u prvom redu pov_ezana sa proucavanjcrn kosmickili zraka. Prirnarni kosmickizraci sasto]c se ad brzih prorona, koji dospevaju na Zem lju iz kosmickogp ro str an stv a. S ud ar aju ci sc sa jc zg rim a aroma atrnosfere, ti prirnarni protoni stvarajumnoge sekundarne c es tic e, P ri proucavanju lih sekundamih cestica otkri lo se da. medu njima, pored obicn ih cestica - Iotona, e le kt ro n a, n u kl eo na , postoje inekepotpuno nove ceslice. D a hi se odrediIn priroda tih novih ~ estic a k ra je rn 4 0- tihgodina po~ela je izg radn ja svc vecih akceIeratora naeleklr isanih ~estica...

~~" f . - J-.ltf~


16/51

..~ - r - .~ ... - - .....~ j ' ' : ' . - 1 : .' _ :_. . . . ' r:-: -;-~, . ~ . _ . _. . . .. -, r L . . . . . ~ . . .r

~- - - - .. ~,: I. ._L - . .. .- - . -~ - . . .. . . . . . . . - . . . . :". . . " , - - : - . - .. - ... . . . . " . ..: . .-, .

" . - _r, . - ~_+

_ .- . . . .- - ' ', ., _- .- . - .. _ ._ .~ _ _

" -_. - r r.. - - ... _.. ..I . . . . . . . _r _ .~ - .. - . _.- " .. . . . - -

.. ~~~ .... :. ~ . .,t_._.! . f~_~_ ~ :.~ ., ' . +t~-~. . . . . . . .(1 .~ . _,-. ~ '.}. .. - .. ~ . - -. ~~ . _+. ' ._ . ~(_ . ~ .. . . . . . .- . . . . . .

y.- : '~ : . - -; . .. . ... . ..- . _, r. +,. - - -t ., ., . .. . .. r~.. .

. ' - .. . . . . . . . . . _ ..

~--\ .. _. ... - . . .. . ._ ~.. .. . - . _. r I ~ , .. .. . ..I__.- . - ..r. '~ . . . . . . - - .

. . r- . _." ,. -. . ~. . .- - . . =_ . r ;1.

I r __ r

. . _ - -_ _ .... . . . b, _

-- _ ' , ,. . . r

, .

_Razmo( r imo dva sudarajuca s no pa ~ CS lic a r na sc m, encrgi je E isuprotnoorijentisanih irnpulsa (+P i-p). Ukupn a cncrgija dve sudnrajuce ccst icc [e 2 E, aukupan irnpuls jc jcdnak nuli, Koordlnamt sistcm u korn je ukupan irnpuls dvecesuce jednak null zove se s is te rn cen tra rnase, U datom sluca]u se sisrcrn centrarn as e pok lapa s a labora tor ijs k irn koordinatnim sis te rn om . Energiji 2E o dg ov a r amasa M = 2Eic2 Sva ra energija 2E, uop~teno g ov or ec t, m o ze d a s e is ko ri sti zas tvaran j e novih cestica.

Pog1edtJj rno sada sudar is tog snopa sa nepokretnom (Iiksnom) vodonicnornmerom (merom ko]a sadrz i arorne vodonika). U zm im o da je energ ija svake ~~cest ica snopa jednaka E ka o ra nije , da jc r n as a c e st ic a Ill, a impuls p, taka da je p'c= E2 - n12c4 Ozna~imo r n as u p r ot on a (u vodonicnoj meli) sa. Tada je po definici j imasa sistema "te.sl ica + proron" i li, S tc je is to , u ku pn a e ne rg ija u s is tc rn u c en tr a. ~_mase testice iprotona o dr cd en a iz ra zo rn

.... ,\.~

_,... ...1

... ...'

_ ..

I--

!~;4 ",t

0I -l.!

22 ...... 22 22 2 24 24M c = ( 1 : : . +!,c) - P c = 2Ej.lC + It C + m C Sada se s is te rn centra rnasa krece u odnosu na laborarori jski koordinatni

s is tem, Aka je E mnogo puta veccod ~tC2 i1lC2, dobicerno d aJ e e ne rg ij a sudarajucihc es tic a u s is te rn u c en tr a rnase u prvom~-Slu~aju za Iaklor Y 2 Elp c2' puta veta nego ud ru g om . U susnn! sarno e ne rg ija u s is te rn u c en tr a mase je e fe ktiv na ener gija sud araiana cdredu]e karakter tog sudara. .

J as no je j be z for mu la da je ~ con i.su dar dva au tomob i l a daleko energicniji negos ud ar je dn og od njih sa parkiranim voziIom. Medut i rn , u s lu ca ]u r eJ ativ is ti ~k ihc e st ic a , u o bn a k u e n e rg i ji je daleko veci ncgo za n e rc la ii vi sl i~ k e a u tom o b il e.

P r v i a k ce le r al or i sa sus re~uci l n snopovin13, t a k O Z V 3 n i kolnjderi*, po jav~ Ii su scjo~ 50 . .ih godina , a l i s u na j in t e re s Jn tn i j i r ez u l ta t i d ob ijc ni n n n jim a u t ok u p o sl cd n jc ~ < : : - : . ~> . ~ ~ . , : ~ . : ~ , _> - : . . " .. . _. . .~ . _ ,' . . . ~ : _ . . . . . ~ ~ . 4 ~ _ . , _' _ .. -".- .. -.- , , , '.- '.... . . _ - .. . ' . . ' < - : : : : _ ..~: < .> _ < ~ . . _ '. > : - _ _ . < _ _ . , . '' ': ~ < < < . ~ . < . > . _ - , ~ - . -. _. '. . ~ . '. ~ . _ . - . . . . , . ,. - -. - . - r _ . _ . r _ . . r , . _

.

.

..~. .

. . . . .,

~,.

. ""P rva a n ti~es tica - pozirron - hi la jc teor ijs k i predskazana, a za lIm 1ckspcrinlentalno otk r ivene pocelkoJTI 30-tih. godina. Pozi l ron je anticesticacle!~irona. On ilna i S l u Ill.asu ia pS O lu tn o n a el ck tr is an j e ka o ielek tron , a li je znak

P ri m" red.: PosebJt1 ~Ianak 0 kOla jder ima bice objavl jcn u zborniku ul"\kceleratorit _ i zd an je o v ebibl iotcke.

.1,,

~t;IIlIr

4

..

I

..

n aelc ktr is an ja pO zitr ona su pr otan znak u na elektrJsan ja e lc ktr on a; n ab o] p oz itr on aje po zitivan . Z ato s e clektron ipozitron oznacavaju e- ie",UvakUUffiU jc poz it ron s tabi lan isto kao clek tron . A li se susret e lc ktr on a sa

pozitronom zavr~ava lose za oba: ani "nes ra j uH, to je st a nih iJir aju m ed uso bn o,emitujuci p ri to rn [alone ( Y ~k -V3n ( e) . P r i torn se , po pravnu, U svako] clek lron _poz irro a n ih il ac ij i c r ni tu ] u dva ili tri Y-kvanta :

..

.. + -e + e -+ y + y; +. -e + e -. y + r + y.Nema nicega m is ti~ no g u u i.s ~e za va nju " e lc ktr on a ipozi t rona. Jednostavno, zaraztrku ad rani]e raznlotrcnih rcax cija, u ovoj a nih ila ciji ce lok upn a c ner gijam ir ov an ja e le ktr on a ipozitrona s e potpuno tr an sf or nlj~ c u kinet i~ku energi juy -k-van lova. _

U Ia bo ra to rijs kim u slo vin la n a a kc ele ra to rim a posrnatrana je takoce rcakci jasuprolna reakcl ] : a n ih iJ ac ij c e le k lr o na ip o zi tr o n a. P r i su 'd ar u d va tvrda ) '-k-vanlarada se p a r t ,p o zi tr o n + elekiron'': .

~ . '

~F.. ' {~

_ , -~:.. .. ..t."

_

.~" ' o ! . :

.

+ -Y+y==e +e..Peste otkrica pozitrona bile su o otk r i vene idruge anLiccst ice. Sredinom 50-ih

godina b ili su na akceJeratorinla proizvedeni antiproton iantineutron, a za lim cak iIaka antijezgra. Po p r a vi lu , a n ti ~e s {j ce se oznacavaju .Istirn slovom k ao o d g ov a r aj uc c~ es ti ce s ar no s a c rt om iii znakom tikla (- ) iznad sIova. Na pr imer , p (ji )-ant iprOlon,Ii(it )-antineutron, v ( v)-an lineu tr ino . .

Ma s a svake anl icest ice je idenl i~na mas i odgoyarnju~e ~esticc, a naeJekt r is an j eje suprolnog z na ka , M i sa or ia opcrac ij a zamcnc .c es uc a - . a nti~ es tic aH n az iv a sekonjugacija naboja, P ri to] op eracl]f Jo ro n, ko ji ner na n i c J ckl r ic n i n i b ilo k nka v drllginaboj , prel az i s am u s eb e . FblOIl spada u rc{ku g ru Jl u i st in s ki lleulra1nih ~es( ica kojen em aju s v~ ga d v oj ni ka - a n[ j~ cs li cu .

t

Pri rodno je p i tan je: " Ak a e le klr on ipozi l ron anihi l i ra ju u [ ato ne , za~(o ne.anihiliraju eleklron j proton, Zt1~tO jc a tom vodonika slabiJan, za~to se n e d cs av areakci ja e- + p -. 2y?" Lako je shval iH da bi, aka bi ta rcakcija hila moguca, u SVCll1na k ra ju o sta li ,sarno [o tan i ineu lr in i (neu tr ini kao proizvod raspaua nelltro~a)"PrjJi~no s u nl or n a p er s pe k ti va , z ar n e?

Slabilnost vod onika je in dik ac ija da elektricni n ab oj ne moze biti jedinis a~ uv an n ab oj (jedini s a~ uv an k va ntn i b ro j). POSloje i d ru gi s ac u\;a ni n a baji iIi, kako .se kate , d r ug i h .- va nt ni b r o je v i. Za obja~njenje stabiJnoSli voclonika i tezih alon1a. Jtakode za obja~njenje odsus tva mnogih drugih proccsa [ormulisane su hipoteze (]pOslojanju iodrianju (konzct :V3ci j i ) lakozvanog barionskog iepronskog fl3boja.

Po~ninlo ad bar i onskog n a bo ja . P O Sl oj i ""e1ika familija ~estica koje s e zovubariolli (od g rckog bar ios - j3a pvJ - tezak) . U sk!adu sa hipotezom 0 ocuvanju

~ .barionskog naboja svaki b ar io n im a jedinicni b ar io nsk i naboj. P rolon je n(ljlak~.ibarion. Pored protona incutrona, po zn ati su innogi cJrugi fezi barioni. Svakj burionin la S yoju an ! ices liel! - Odgovarajuci an r ibariOll , koji . in13 jedinicni nega ti;'an

,

_~

:~. . .

... + . . .. .. . _. - ~ - ... . ' . . - .,.~ r. _ . . . ~.. . . .: ' - . . . ... . . . ... .. - .. r r r. I ' . . . - . r _ - . - . - . - + , .- . . . .. . . .- . . .. . ' . . . . . . . . . - . --- _. - - - - - . _ _ _ .. . . . . . . - . - - - . . . . . . . . - - - - - - _. .. - - - - - -- - . - . . . . . . . . . . --~ ~ .:,

. "


17/51

,.....~~I '

.~

..

. ., .~ ~. r. : ...;.~: ..". ,.- .

.. . . .. .....

., .. ~

.J : .

.r:.. ,-~ .~ -.," .. ,i:; .: ...

. :. t .

~~.:~~~~ "!!.. V ........,l . : ! ': . ~,~... .I~~.~.~. ; 1 ,1 ,' : 1" .. ,.. ,( ~'" .

bar io nski naboj, Iz rcccnog .sleoi da neutron, iako je c le ktr ic no n eu tr ala n, nijeis t isk i neu tralna ccs uca,

Farnilija cestica koje sc z ov u leptoni (ad gr~kog Ie p to s - , lE Ir iOS - mali, vise ceo n j.i ma biti receno ria s le d cc ir n s tr an ic ar n a knjige) s as ta vlje na je od daleko man jcg~roFi ccstica ncgo Iarnilija barlona. Elck,tron - najlaksi ad naelektrisanih lcptona -In13 ~ed~ni.tniozitivan le pto ns ki n ab o]. U s kla du sa h ip ote zo rn 0 leptonskomnaboju isu lcptonski nabo] kao elek tron ima ineutr ino . Poz itron i antineutrinoi m aj u n e ga ti va n jedinicni le pto ns ki n ab oj (-1). L ake jc prover it i da sc u raspaduneutrona

~~..: ," .... . . . .r. : . . _ .......:. ,.. . . .~~ 1"~~: . . .. -. . . . ..~ ..

....j,. . . . .~. . . .1~\I,~ . . . . .\ : . :r-. . : r . ,:.. .,. .... .1~i"~.! !_~.-r . , . ~~ .: 5 ' . . . ..!. " ,' i. .~ ,,.odrzavaju kako barionski , taka ie pto ns ki n ab o] ,

. P i ta n ju 0 tom k oliko su str cgi zako ni o dr zanja b ario ns ko g ie pto ns ko g n ab ojavra ticerno se l' k .. . na KraJU ave nJIge. A s ad a r az rn ot nr no piianje da l i an t ices ti ce posio]eU svetu kOJ1 nas okruzu je . .

Zbog reakcijc anihilacije iole b lis ka k oe gz is te nc ija c es tic a ianticestica nije~o guC a .. ~bog ..10~~ onaj mali broj anticestica kojc je mogute proizvesti UlabOra~On!1 ranlJe III kasn ije nestaje u kontaktu sa n ne pr ija te lj sk om s re din or n" . N ou u ~a IJe nl~ d elo vim a Svern i ra , daleko ad nase obicne m ater ije, m og li h i postojatiantlsveto 1

6... V I, sas tav jenl 0 anllatoma. Energetski n iv oi a to ma i n tia to ma su id en tic niInjihova hemijska s vo js Lv a s e ne razl ikuju. (Vrlo mala razlika izmedu ~aterije ~

anti~ateri~e.se. ~oze ~e.tcklovati je din ou s la bim in rerakci jama.) Zato hi u principumogh postoJau 1 "ant121vot", inantiljudi", iu ' an t isv e to v i" . F o to n i k oji ' b i nam do~li~d . antizvezda ne razl ikuju se . ae l fOlona obi tnih zvezda. S tq ga optie:karadlo-pos~atranja ne Inogu olkriti razl iku izmedu zvezde ian Iz v e i J e : ' To bi up ri _n ci pu m ag lo da se uradi sarno u d al je m r az vo ju neutrinske aSlronomije. Jeroblcne zve d k S . ' ,.. z e , a.o I na e SunceJ CffiltUJU neU_~Tine koji nastaju u termonuklearn imreakcIJam~, a antlzvezde h i m or al e em it ov at i a n't in eu tr in e_

. D an as s e a st ro fi zi ca ri skepli~ki odnose prcma mogucnost i postojanjaantls~etova. On i to zak)ju~uju zbog t og a ~ !O u pr imarnom kosmi~kom .zra~enju kojedo]aZI do nas iz udal' .. d 1 S ..'. . . '' . JenJ 1 elova ven1lra, nlSU detektovani u ,p ri r netno rr i brojuantIproton] D ru gi a rg um en t 'e t x - .' '. ' . J a ~to -n_J.su posma ( ra n i ka fa kteris titni y-k""\'3 n lienerr'lje jednak ..... . -~ . e ~ncTglJl m lrovanJ3. eJek lrona , koji h i morali !1astati pr i anihilacijisponh ~le~lrona 1 pozi t rona na granici izmedu materije ianl imateri je ( e+ e - -oi l> 2y).

Pl~anJe za~lo se na s svet sastoj i od nlateri je, a nc ant i lnaleri je iii od jednakihll~lovn J dru"oIJ pos lednJ~ il1 'OU- Ix "y .;, OJ gina prtV aLl sve Vl~e paznJl1 f iz i~nra- l eore l i~ara . A u11lCllu\'renv~nu fizi~a' k' .,,_ n-e.spennlen t31on uvellko koriste snopove pozitrona i~ 1 11 1 11 )r ol O n3 u s vo J im eksp~ .. D::1 .J. '.. .;( ~ cnn lC nlIn l: l. anas se u vecini postojecih kolajdera. ' H .1 .. 1r aJ U . sn opOVl c es 1J ca 1 o dg ov ar3 .ju ~ih an tice stica - protona i ant ipi 'otona,cl~klrona ipozitrona.

' I I I f .~.... . . .o',. . . .. . . ..~:.~ ..." ._~. . . .;.~..~. . . . . .. . . . . -:..r . . . .. . . -. . ; . . .~.__ ..1 . 0 ; .

j~; . . '-1. . (0 parnost i ce bitigovora U odeljku "C- P-J T-sinJelnj'e".) '" p - .C es li ce s a s pi no m jcdnakim jedinici inegativnorn parnoscu (1 = 1 ) nazrva juse vek tors kim ce s rica rna, posio sc pr i rota c ijiircflcksi j i kOD rd ina ta n jiova ta lasnaIunkcija transforrnise kao obican prostorni vektor. Taka gl:uoniJ kao i Iotorii,p rip ad a] u k la si cestica nazvanih Iundamentalnirn vektorskim bozoninia.

T co rija in terakci je {OtOll3 sa elcktronima naziva se k.~/?n,t.~:~,,'~~~:~~.~.~2:~!P~ika , aJ . - . i . - ~ . . . .- ) .j . . ; -. . . l ~ , .. -: ' ;. . :. . .. . tc l " ~ . .$\ '1$ .. ( dtcorija interakci je gluona sa k'Varkovinla n3ziv~i se{;-;~~~ltf[f.~:~:~X-~QJ!!:~".~.,JJ1~1U.~a.,0gr~ke re~ i h ro l1 !o s - 1 7 pot tl a - boja). Ovo je prvi pu t d a s e ' na s tr a ni cam a ove knJlge

javlja pojanl boje. Sada c u pokusal i da ga objasninl. . .~-a ~ , .~ .Q~. ~ . ~ J , ,... r- . - , . ! " " . : I I I" " ,~ - .I .),. "~ -F t~ . .~-; .33 ,

1,

iIK a o r ez uI ta t o vih p re la za n as ta ju t r i l in e ar ne kombinacije (Iinearne supcrpozicije)od kojih je [edna

IlI (fz +pp.+ cC) / YJpotpuno s i rnetricna U odnosuna boju. Ona nema ni skriven naboj boje. Ona jcpotpuno bezbojna , ili, kako se kaze , bela. Slcdcce dve dijagonalne .~o-mb-ffi-ac.Vem oz cr no p re ds tavi lina tr i razlici t i z_ ~ ~ J _ . ~ _ ~ i v ~ l _ ~ _ ~ ~ . ~a I )lc iQ g - :: :: :. -- -- . . .. ., ~ ; '; - -; ~ .' {, . ~

~ ~ .>..(2 Z - P p ) / v'L i (z z + p P - 2 c c) / Y O 0r : - -. .-5.~H~. r . i :

.. ... :, ...ili (p P - c C ) / /L i (p P + c C - 2 i.z) /.[6

iIi (c c - z z) / " 1 ' 2 i (c C + Z Z - 2 P p ) / Yb . SI


21/51

:~r

Ov e k om b in ac ije s u, ociglcdno d ob ije nc j ed na itd rugc ciklicnirn .zamenarna i. -+P -+C -40 i,Diskus i j c 0 koc fi c ij c nt in l a o vi h 1 in ea rn ih slIpcrpozicija i0 Iiz ic ko ] e kv iv a-lcn tn osti tri razl ici ta izbora dijagonalnih sperpozicl]a ncce b ir i jer to prevazilnziokvire ave k n ji ge .

..Ovde je vazno da SV?kC?i_Qd_.Dsam-.kom-b-in-aeim(~CSl-c - ~ E _ "_ . ~JJ:0 obojen ih idves a s k r iv enom bojorn) odovara gIuon, taka da 1Iiiil~~~Qiiill~ ~:d3 x 3 _ 1).

\ -- . . _.~ .0 ~ ~ =~ ,~ _ .. : - " '1 " . I. p , 'I " " IBitno je da nijedan pravac u prostoru boja nij~._priviJ~goyan, s v a - tr i obojena

~ . . ~kvarka su ravnopravna, trl.obojena antikvarkn s u r a vn o pr a vn a , a iosarn obojcniJ_1gluona s u r a vn o pr a vn i. S il nc lr ija b oj a j c apsolutna,.Kv a rk o vi . .. rn it uj u j apsorbu]u gluone i take nlcdus 'obnooslvar.uju jaku_ . . . . . . 1 . " - ~i n t e rakci]u . .~

.~o:.-~,t.~,..,...(~I~..~. . . . .. + . . , ,i-,, . .. . . . . . ...~.

. ; p ~ '

.

+ 1RazmOlrimo sada, na pr imer , crveni kvark. Kad on . emituje c z gluon, on % etr an sr or mts e ( po zakonu odrzanja boje) uf41t kvarkj~t'j~-tf9. praviurna igrc'etrri~'jja .ant i b o J e - :i s " ( o . ~ ~ f i : ~ : ~ t ) ~ f ? ~ f p . 2 ' j IS - ~ : h 6 J ~ ~ - j( 2 1 1 ~ h : e - r v e r i i : k ~ a t ke m f t u j e t - c p . .gly.on, .orrse .:;lransforn~:jse~'p l r i~(1~~a'rkk~Jl IT~;~i l i ' i tc i tdot ;~I fnfo~~1~l!~S[m:~rn~scrfbUj~~ . . ..Emis i j a i apsorpcija ncdijngonnlnih gluona ad strane zutog ip l a v o g ' h .' V ar k a s eIHoze r az malr at i n a sJ ii! an na~in.

.~~4 . 0 ' .r. :i . " ..::

. .O~ i g J e d. n o , em i s ij a iapsofJ>cUn di jagonaJpih g. luona nc mcn ja boju h . r V a r k . a .. C in jen ica da gluoni nose nnboj boje dovodi do.su~linskcrazlike i zmedu gluonai[olona. fOlon nem3 eJcktrj~ni naboj is toga ne moze u n cnl iLuje (da us [r e sa " sa

scbe) [alone. G lu on i, n ap ro liv , p os ed uju naboj boje taka da g Ju on fllD 2C enlilavaligluone ..S[O jc masa naele-ktrisane tcsricc maI) ja . to joj je lak~c da enliLuje zra~enje.~rasa gJuona je nu la taka d~,bi e m is ija g Ju on a cd strane gIuona, ~a d bi ani hilis Jo b od n i, h il a k a ra s lr o fa ln o velika. M e d utim d q k ata str of e n e'd ola zi, jaka interakcija

.. .izmcdu gIuona p rouz roku je znrobljenost kako saJii ih gluona, [aka ih.- -varkov3. laka in te ra kc ija iz rn cd u n ab oj a bo je n a r as toja njir na c d 10 ~tS m pOslaje to liko jaka da sci zo lovani naboji b oj~ n c m og u raz~voji t i iudaljili n a ve ca r a s [o jan j~ . To zn a~ i d a us lO b od no j f or m i (s]obodno krctanje) mogu postojali sanlO lakvc konlbinacije nabojaboje koje u cc1inj n en1aju' naboj boje.

Elektrodinamika dopu~!a postojnnje kako izolovanih elcktroneutraInih a loma ,taka j izoJovanih elektrona ion3. N l cd u li m h r On 1 o( ]i na Jl li ka dopu~[a poslojanje uj201ovanonl Sianju sarno bezbojnih i H J )b c1 ih " ha~rona) kod kojih su sve bojeiZlne~ane podjednako. Taka TC + nlezon pro\'odi jedna ko vrem c U sva tri moguta

I

..

., :. . . . .,. . . . .,..~~'.. ., .

'" ..

.".

- ! . ,

! - o . .~~~~~ . . r;1 " :- : ' < '" ~ -r~ 'I.. '1

.... '...:~' ..: .. . . . . . .~ . ,\ ..}",~.~ " L :. . > '." F'

\ . . : : -

,J : .:" .

s t a n j a boje lit C 1 t J up a;,u, ' i 1 c ) ) on je surna (s uperpoz icija) ovih s fa n ja. Posl edn] 3t v rdn j a , ka o i tvrdnja 0 gluonirna sa skrivenom bojorn , nece bili sasvim jasnanepr i premJ j enom citaocu. Ka o ~[O je vee receno u fiz ic i e lem en tarn ih ccs tica , nemaze se sv e o b ja s ni ti j ed n os ta v no iotigiedno iprlkazati .prsnma" .

U v czi s a ti m rni sc tini d a jc o vd e u rn es no d ati n eke prirncdbe koje s e n e o dn os e sarno' .na ovaj odc ljak, ncgo j na drugc odcljkc knjigc , ka o iUOp~lC ria nnucnn-popularnu li t er aturu .OmoguCavaj u ~j c i ta o cu da se kako taka orijenrgc u mnogodimenzionalnom, ogrornnorn izarnrscnom lavirintu nauke , nau~no-popularne knjigc j clanci su nesumnjivo ad v e li kc k o ri st i,ali ujcdno pri~in javClju j izvesnu ~(C[u. Ta Htcratura, p ri ka zu ju ci r cc ir na vrlo aproks irnativnu jkarikiranu - str ip sliku naucnih tcorija ie ks pe rim en at ri ( a ccsto j e d ru kc ij e o pi si va nj e upoputarmm knj igarna nemogucej , rnoze kod fitaoca ostaviti netacan utisak jednostavnosn ipotpunog razumevanja , K o d m no gi h se stvara utisak d a ~ opisane naucne teorije u velikoj rner i ,aka ne ipotpuno neobavczne iproizvol jne: , , 1 Y f n o g o takvih objasnjenja se moie izmisliti. Zarnc?" U stvari , n au ~n o- po pu la rn a li le ra tu ra je odgovorna z a n e pr e su s nu lavinu pisa rna kojasadrze polupisrnena upobijanja" i "radikalna pobofj~njan leorije rclauvnosr], kvantne rnchanike

. .. j t eo r ij e e le ol en la rn ih c es ti ca , a k oj a se o b ru s av a n a g la v ne i n s t i t u t c f iz ik e u naso] zemlji . Aurarnau~no-popufnrne knjige mora ne sa rn o d a jcdnosravno objasni, nego id a u po zo ri citaoca napostojanje onog ~[O je tesko razurnljivo idostupno jedino speci jar is( inJa.

Obojen i kvarkovi igluoni nisu izmi~)jotina dokonog u ma . K van rn u hromo ..dinamiku nam j e n amct nul a pn roda, ana je potvrccna i dalje s c pO lv r du j e ogromninl

..brojcrn c ks pe ri nl cn la ln ih c in jc ni ca . On a jc jcdna od najkomplikovanijih Iizickihte or ija (a mazda inajkonlpl ikovani ja) s a v eo rn a suplilnim maternaucktm apararorn,koji jos nije do kraja i zg raden .

Danas ne peste]! n ije dn a ~in jen ica k oja bi p ro tiv ur e~ il a k va nt no ] hrorno-dinamici . 1vfedutim, postoj i ni z Ienom ena za koje teori ja da ]e sarno k va lita tiv no , a n ei" V a nt it at iv n o o b ja ~ nj en je . N a p rim er , do danas nije potpuno shvacen mehanizam .kako se r az vi ja ju m la ze vi hadrona iz p ar ov a h.-v ar k-an tik va rk , S lvo re nih n a m alim

raslojanjima. Jo ~ n ije izgradena te or ija k on fa jn rn en ta - z ar ob lje no sti. Ovim p ro ..tbIemom se b av e v od ec i teori jski f iz i~ ri sv et~ . O vaj rad se ne zasniva sarno natr ad ic io na ln oj_ me lo di - tj. olovci ipapiru, neg6 ina mnogo~so.vnim prora~unima. ,n a n aje fik as ni ji nls av fc m en ir n k om p ju le rim a . U t im " n um e r it ki m eksperimentima"suneprekidan p ros [o r i v rc me z ar ne nje ni d is kr eln im ~ elv or od im en zio na ln omre ~etk om k oja sadrii aka 10 " t vorova i gluonska poJ ja se anal izini ju n a ovimr c l e lkama .+ -;,~EPTO~~Il

. . . . ~,.-r:. . . . . .!...~.~.~~'"""_"" '~..,i _ - ;t..~.:"0.1:.

' " i - .. ...r~~.'t. . ; . ,f.- . . :e.f!!..:~i'tl~j... . . :I~fII. . . .,~!J ~f.fftr=f

..

. _

I

J

..

- ....

aa

. .

roir- - .. ..

; . .. .. _

.. ?

:"-:- .o

o ... 0.

ro..

.ILr-J"0}I. . 1 1 : ti-.

. .o~~.~ -r:. tor ,.r..o .. .

-_;r.. f.

r,_. {. . r.,L .-.

'6 0\.:I

r. .,

: . : ,. :#.-:.. .,... -..,L. .~ , _ - _- . . . . . ~ . . '. ..

'.1' 'il :..


22/51

.. ~1 i , ,


23/51

Drugo, proucavapjc p rocesa u kojirna ucestvu ju Ierrnioni druge i t rccegcncraci je ornogucilo jc da sc shvare Iundamctalncsile, kojc de lu ju n e sar no mcdunjima, vee i nedu Iundamcntalnirn Icrmionirna pIV'e g cn cr ac i] c. B ez mnogobrojnihekspcrimenata tokorn poslednjc dcccn i j e , narocito bcz eksperirncnata na vclikimkolajder irna, mi sc ne bismo mogli uvcriti U postojanjc gluona, koji -slepljujukvarkove u o bi cn im j ez g ri ma obicnih aroma. D ru gi p rim er , na ~ ije r az rn atr an je c er nos ad a p re ci , j c p ri ro da fundamcntalne s labe site, 0 cijoj p ri ro di sr no mnogo saznalip ro uc av aju ci s la be in te ra kc ije le pto na ik varkov a sve tr i g ener acije, V rhu nac ovihis tr az lv an ja je bilo o tkr ice 1983. godine takozvanihintermedi jarnih vektorskihbozona: 1 1 1 '+t lV - iZ 0 - fundamentalnih prenosnika s labe in te ra kc ij c ..

Ii~t..:f$",lt.~ififI.i.ttI

" I . +. .. - . . ..'7 o RASPADI LEPTONA I KVARKOVA 01 ..U jakim ielektrcmagnetni rn interakci jama kvarkovi i ant ikvarkovi datog

aromata s t vara j u sc iunistavaju i skjucivo u parovirna, Zato b i s et ukoliko ne b i b il os la bc in te rak cijc , a ro rn at k var ko va ileptona odrzavao isvih dvanaest fundamen-talnih fermiona bi hili srabilni, ! t,

1ifDo sa d srno se ve e upoznali s a .8 -r as pa dom n eu tr on a injemu sro.[norn slabom

terrnonuklearnom reakcijom, u kojo] sagorevaju pro toni i elektroni Sunca,Razmot r i rno sad~ kako ave idrugc s l abe procese rnozerno opisati pornocu kvarkova.Pocnirno ad f3~raspada neutrona. Pcdseca rna da j e; {p ~ ll ud J -a n=dduiTako sep -r as pa d n eu tr on a r -,

- -J -+ pe v, . . . . svodi na fi-raspad d-kvarka (sl ika 12)

.,C" d . .. .ue:;< > . ~ : .; . .: ,: . _ i r ' . - ~. I ~ . .

+1 ' 1 a a na lo ga n n a~ jn se r ea kc ija na Suncu ..

(podseeaff i da D o z na ~~v a j ez g ro te~kog vodonika - d eu te ro n) s vo di , ~lO nije teskoproveri t i , na reakciju " \..

. . . . . ..

Ovaj poslednji proccs mote biti (misaono, n:.1ravno) dobijen iz procesa raspadad-~-yark3 putem dye opcraci j c : 1) Z 31n en om jc dn c ad anl i tcs t ica (u ovom slu~ajut ! lcklronskog ~ntineuLrin3 v,,) u krajnjem stanju odgovara jucom teslicom (u Qvomslueaju elektronskog neutrona lIe ) _U pO~e[nOm s lanju; 2) okretanjem strelice' l relnena z(l180~, to jest, z amen on l pocclnog s lanja krajnjlm, a k ra jn je g - po~elnim.

Sm isao drug e oper a~ ije je jasan . O n 3 sc moze nazvat i obrtnnjem vremena,pojto ka o u iilnlu koji se p ro je ktu jc u na za d, proces se ocJvija u obrnutom SIneru.:3 8

L eg aln os t p rv c o pe ra ci]e jc m an je ocigledna. O vd c c cm o sc z au sta viu d a bisrno- ~podrobni je razmotri l i o \ ' u ope ra c ij u PO~(O ana .igra vafnu, rnozc se ca k feci) kljucnu

ulogu u tcor i j skoj aualizi sv ih proccsa u kojirna uccstvuju elcmentarnc ccst ice.

1 .;.1 ii : . - 1 j .~.L "I : jiI'~,~I ~~+ . . .. ~ . . -, . : ..'...: ~~I I . . ;. . ' * " ' 7 '. ~::' :~ . '' I '' '1 I : _ n , :~ .t.... . . . . . . .. . . . . . . . .

'111. . . J , ,-I' I. ~, . . . ~ . .L l~:.~. "; . . . . . ... - . ,. " 111\.. . . .. . r - ~

r - + . .' . ' i ~,i-. +1 1 " ' - :. . . . . . . . . ... .

, ... I f_ ' . t' I ' ! ' "~~~ t.~.. ).~ j:i.

..."

- n. . .... "'!'.

- ' + .... + +. . I . ." . ' . . . . . . - . -- _ . ,. ;._. ' . -. .. . ..

1 - r 4 .~ d!)a - .u P3 ' U ....

.. - ..- . , . - -tiuti. .. ... -. . _ " . + ' .- ... ; , ., -

.' ' . - ... j .

.. . ... . . . . . .' - =- . r ~ . . . . . . +- !

r . " : . . . . 111 . 1

. . '. .. . . '

1 1

I ..,. ,,,~J!~a2. Kv~r~~ij~.gram ,B" ';raspa d3:Jie). llr ,?n~_~. . . . ... .. ' .., . ...- .-

. -" B ez obzira k ak o s lo ze n bio proces koji se odv ija u pr irodi m i mozerno uvek bitisigur ni rJa ce zako ni odrzanja elektronskog, bartonskog idrugih rnogucih nabojadopustiti iprocesc u k ojim a j e e m is ij a (apsorpcija) svake 'od cestica zamcn jenaapsorpcijorn (emisijom) otlgovarajuce a ntic es uc e. O va l Ia lg eb ra an ti ce s ti ca " (prenosc es ti cc s a je dn e str an e "jednaC!ine" koja o pis uje r ea kc ij u na drugu uz istovrernenupromenu znak a nabo ]a ) zasn ova na je na ~ injenic i d a svi naboj i cestica ianticesticairnaju su pr otn e z na ke . O va l1algcbra" se nalazi U osnovi celokupne savre rnene teorijeelementarnih c es tic a - kvantne teorije polja. Lake je, n a p rim er , p ro ve riti da za sv eelektromagnetne proccsc, kao iza svc gluonsko-kvarkovske procese, ko je srno

razmotril i na prethounlm s tr an ic am a, v afi ov a algebra .Medut i rn , odrzanje s vi h n a bo ja jos uvck nije dovoljno da s e o va ] ilionaj proccs

zais ta dogodi u prirodi, Za to je jos neophodno (i dovoljno)* da ti proccsi zadovo-Ijavaju fundam~nta lne zakonc odrzanja, pr e svcga neophodno je odrzanje energije iimpulsa. A to sv e odreduju konkretni us lovi u kO ji ln a se na laz e ~eslicc u in lcrakcij i.Tako je, n a p rim er , r ea kc ij a e -p . .. IlVc zabranjena ( a moranlO b it i z a hv a ln i prirodi~to je ana zabranjena) za cleklron iproton, koji obrazuju atom vodonika, po~to je

( .neutron tezi ncgo proron ielektron zajedno. Zamisli te sarno kako bi izgledao svet ukame bi s e v re me : i ivola vodonika nlerilo sekunuarna!

S d ru ge s tr an e, rcakcija e-p --to nv c se u nek im atom im a odvija. Primer jeIlcs-tabiIa n i zo to p b cr il iju m a (~Be). Jczgro ovog n lonla za hv a 1a j c c . J a n ad a~ o n l s k i hel ck t rona ikao rezu lta t tog a s e pojavljuje iZ010P liLijun13 (~Li). Ovde j e S lv ar u to meda je atom sa jezgrom j Li laksi od aloma sa jczgrom !Be. A na lo gn o sto j-e S lv ar i isate rmonuklearnom re akc ijom p'e p ~ D Vc: n 1 3s a c J eu te r ona je m a nj a ad zb ira m ase dv aprotona ielek t rona . , .

.~.-..~. . . . .1 ' ~ . _. r . .. ... . . . . . . ., - . . . . r_ .- .

. . . -- - ~r ' . . I~. ~~ ,

1 T "' ~' I' .. - ~- . . ' ' ..~ _ '. ..

,- . . . . . . . T .. ..." 1 " . . r I_. .

1 1

-- - '

. .. .- .- ~ ~ . ~

, - .-- ' .- - . 1. .

.1 ' - '- ,... .... ~ r ', . - ...

, ... T 1 . .J I.7 r ~~~ I'.~i . - - - ~ . .I ,. , , . 7"~r-.~j. _ ...

-.. . -; " . ~'.. ' , .. ~~.!.. .. .. ... . . . . . . .

I o ~ _ . .. . : .I .r . - .. .. ... . ~f: . ~ . ~. + - .

. ~ I I ,,,~I .

U f lz i ci s v e ~lO nije zabranjcno je obavezno. Doskdna p r imena ovog principa omogutice ya m U3razumele i redilC mnogo Slo~ta u knleidoskopskom sveturcakcij 3 i aspadi3 eicmenlarnih c es ti ca . U p r3 V Ozbog log, p rin cip a 3 10 m iz pobudenog slanje p rc Ja zi u osnovno.

I + I~ - II . . . .. . . . . . . .,.~ ~.. .. .~I II . :. : ~ " I " .- ' i' =- ~ .' " . .,1Ii1,~

.. .. .

+

39.I1 1 =J!

__ ... . . .IIt

t -. . 1 ' . . : , \ . . ~ .~ I, ' . " . .-+ ~ - _.:-. ..:"

" ' , i i . = !z.i,:,.


24/51

!-. C 'f : " ,ir . - .. ..F , . ,

I

.~.;~--!'

L, . ' o f ' ~ _ . j. . -

~.p -

I " .~ . . - ... .. . . . . . . -~

~,. _(' - r; ; - I ., i L , . ~.:. :. ' . _ 11 _, .' : - . : ',

~~ ' ~. .: ~ .- . . . . - ..: . ~ .~~~ ..rr:>-,r . - - .:. + .L '. - IJ_ ' _ - _ . ', . . . . . . . .... - ) .~~;-7: '" :~~~. . . . . . . .

- : - .

~ _ .' . : - ; 01: .; .. . . ' , .f r1 1 :' . ..t f "- , - , ~_. I .- -" - - _ . - -r~":C ~~ -.. - :.~ ;, . , . .J ~ - ,t r _1 - : .. . . . .. .t . ' - L -~ : ; ~

r=:,~. . ' ... r. , .. ,

L , -.. ~~,J _ . . 1 '

I+ ,.. ~.. ,. ' I :r. " " ' 1 . " I- . _ ! . . :- '

' [:: ... - ' . _ '-t . \ . < ~ : -. _. . ;~:... ~, \t.. ,.f - _ . - . - l~ .. ,~~ : - , ; . . . ~ -- ; .-'. - . ,._ - . . . . , ; .L . . . . .

p'


25/51

Prelazeci na druge parove kvarkova, bilo bi pr i rodno ocekivat i da kvarkovislicno l ep to n im a , o s tv a ru ju slabe prelaze sarno unutar s vo ji h genc r ac i ja . iAko bi tob il a ta ka , U slaboj lnterakciji hi ucestvovala sarno tr i para kvarkova i_to: ud, cs, tb,P ri to m bi s-k-vark ib-kvark bil i stabilni posto [e s-kvark mnogo lalGi od c-kvarka,a b-kvark m no go ]a k~ i ad z-kvarkn. To i s t ovremcno zna~i da bi bi le stabilne i traneccstice ihadroni koji sadrzc b-kvark. Mi znarno da to nijc taka ida postojcm no go br ojn i s la bi procesi u kojima kvarkovi jednegencracije prelaze \l kvarkovedruge gcneracije .k ao ~ to je to prcdstavljeno na s l ici 18. Na ovoj s l ici su punimlinijama predstavljeni leptonski ikvarkovsk i "slabi parovi" koji su eksperirnentalnoposm atrani, a is pr ck id an im lin ijam a paroyi koji .sc ocekuju, ali zasad nisueksperirnentalno registrovani,

-

u c

d .. s

-,_r ' . ... : . . _ r'- .. . . . . . . . :- .

- ' - I_- - .. .- .. . 1 :, ,:+ - - ... . . . . . : . - : :a.I,

tI~ '~ ~ . _ r....._.._.. - .

~ . . . . . . .- ...1 " -~c~e/ /..,,/.. ~ ~. . . . . . ~ .. - ~Ve /,-..., ,J F


26/51

: ~~

I :

~-: --"

fIIP~nov imo da slobodna c es ti ca m a se m mo ra zadovoljavat i relaciju: E2 _ pIc! =

f1l2C2 , a kod Io tona je 111 = O . M c d u ti rn , kod razmene Iotona u e l ek t ro n - pr o t onrasejan ju E2 - p2C2 < O . O vo je lako d ok az at i a ko p os rn at ra mo ep ~ as eja nje u si~teml~centra r n as e e le k tr o na iprotona , u kome encrgija elekirona ostaje nep ro rnenjena 1jedino se menja smcr njcgov.og,. impulsa. Stoga toton koji je razmen j e~ izrncduelektrona iprotona prenos i impuls _ p , a li je n jc go va e nc rg ija E [ cd na ka n ull, taka da E2 2 _ - 2 2 a ,J e - p c = = - p c


27/51

~: ~I,r _- . .

..

Iftlt.1iIIIiI

.anal izi ra u sisrernu centra m asc s ud ar aj uc ih c es ti ca , u kojern je zbir i rnpulsaelektrona ipozi t rona n u la , v ir tu cl ni fo ton ne prenosi impuls , on prcnosi sarno

-- . . . . .r-, .< - . .- - . . . . -I . .

- , . e .,e .. ..ener giju. . . . . . . . . .+- ~ P - ',

f!.!,.II

,- . .,~I + " I. .

tI ., .

..

. . . . - ... ..' I. . .I . ~

, . -,

\

rr1

- . .+

-,I ...

.. . . ., 'p p ., .. - - .-'. . .- ,. . . _ . -. S lik .3 22. Fajnrnanov dijagram koji opisuje ncelas l i~no rasejanje elcktrona naprotonu pri cernu je

emllo~a~ Jeda~ t,z3ko~ni" (brcmslrahlung) Caton. Ova] di jag ram sa dr ii dv e v ir t ue l ne ~cs(ice virtualniCoton Ivi r tuc ln i clcktron, ' Stika 24. Fajnmanov d ij ag ram k oji opisuje anihi1aciju elcktrona ipoz it rona u par mior ia .I

. - ... - ,t - -.. . -

-' I .r - -r . r

. + . I - , T -\

k~je sti~u iz .bcsk~na~nosli iIi koje odlaze u bcskonacnost, dok j e p r os ti ra n jcvlrt .uelnlh ~CSl1c? pnka.zano nSc~nlen l ima" t to jest li nij am a k oje spajaju d ru ge li ni jc .,? ~~ ~n o s u (r na da ne 1 obavezrioj f cr m io ni o zn ac cn i pruvlm, a bozoni talasasti rnl in ij ur na . N a. pr imer , n a slici 21)c predstavljeno rascjan]e elektrona n a p ro to nura~mcnom virtuelnog COlona. Slika 22 predstavl]a rasejan]e -clektrona na protonu,pn ~cmu eJektron dodaino emituje jedan realan ..zakocnr' foton (.,bremsstrilhlungU[Ol~.n ~.od .nema~kog "die Brcrnse" - kocnica i"die Strahlungtl - ernisi ja, zracenje,radijacija; Impuls e!ek. lfona se smanjuje taka da se elcktron u sp or av a), L in ij ae lek lron ~ ko!a spa~ a tacke emisije virtuelnog i realnog fo tona n a ovoj slicip re ds ta vl ja v ir tu el ni clektron (mi vee : znarno _ u a slobodan elektron ne mazeem~lovali sJobod~n foton iostat i sJobodan sve vrerne).

Tacke u k oj im a se linije u F ajn ma no vim d ija gr am im a s pa ja ju zo vu se verteksl.V er tek si sa svojim pridruzenim linijama z ov u se verteksni delovi. Oni opisuju emisi jui apsorpciju cesti ca , dok li ni jc o pi su ju njihova pr ostir an je. S va ki vertcks sekarakterise izv esn om v elicin om (ko ja ne mora hili b e zd ir n cn zi on al na ), n az va no rnkonstanta interakcije i ii k on sr an ta v ez iv an ja , St o je rnanja t a k on st a nt a , t o j e s la bi ]a

...cdgovarajuca interakci ja.

. _ _ . . T ", _ I

" !.:"L

: r. .~ - . . . .; , : _ . , : . .. - , l :~ ... . - .- + .

. '_ 1 .

~ ~ "" L . ~ . 1 -~ - : ~ . ...~ - - , - j, ; . ... -+ _ T r

. .. . " - . . T . '- . . . . .. _ . "

Mi vee zriarno da j e k o ns ta n ta in te ra kc ije s la bi h raspada i cakci ja Fermijevakonstanta (pogledajte, n a p ri me r, sliku 19).. ,

Konstan ta interakci je za elektromagnetne pr oce se je e le ktr ic ni n ab oj e. Ov onaelektrisan]e se cbicno karakterise bezdimenzlonalnirn odnosorn (vldi s tru~u 17)a = e 2/ li c : :: :1/137, koji sc jo~ ad najranijih dana tcori je a to rn sk ih s pe kt ar a nazivakonstanta fine strukture. (Filla strukt ura je cepanje nivoa a lor na in tcrakcijom izrnedusvojs tvenog (spinskog) magncinog momen ta elcktrona i r nag nc tn og m om entaudruzenog sa njcgovirn orbitalnirn kretanjern.)

. Po ten cijaln a en erg ija Kulonove a tr ak cije ( pr iv la ce n] a) iz mc du elektrona iprotcna, k oja o dg ov ar a r az rn en i virtuelnog Io to na , pr ikaz an a na s lic i 21, i rna for rnu

...- - + . .. ..

. ' ' - . ... .. - ,. .. .F . ~. - + -. ... .. ~ . . .. + . -. - P,. . . . . . . . . . .-

: r . . ' l_ . 4.. ~. . .. ,._ - -. +

r e+ - .. . . . :- . .. .. ;... .. . . ~ 1~ - - ~.. .. . .. .. ,. .e-

. .~. .- - + . . pr . . . . .. ". ...... . ... . . ... ~ .. . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . ~...(a) (b) I.,

, .

., . Slika 23. Fajnmanov d ij ag ram koj i opi su je a n ih i la c ij u e le k tr o na i pozitrcna u dva COlona (a) ; u InCotona (b)., ; ., - .. . - I I I ,-- - .

e2 a Ii cU(r) =- = -r ri+

~ . -. I

' ... ~... ' - : - .- =, " ~ l

.~L ' . _ . -

~...I~II..I~4r.t..I+

S pori pad (proporcicn alan sa l/r) potcnci jalne e ne rg ijc s a povccanjern r p ovezan jes a c i nj en i co r ll da f oto n n C IJ 1Umasu , Moz e SC pokuzati da b it aka bi f oto n ir na o rnasu1 1 1 , potencijal koji bi cdgovarao razrneni ovog "m3sivnog Iotona" bio:

. ' Fa jnrnanov ] fi jagrami na slikama 23 i24 prcustnvl jaju neke procese anihilacijeclckrrona. Sl i ke 23 a i23b p r C c . . l s l a v l j a J u anihi laci ju poz i t rona ielektrona u dv a

~- odnosno tri Iorona. U o vo rn slu ca] u vi r t ucl ne ccsuce su elektroni. S lik a : 2 dp r cd sI 3v lj a a ni hi la cl ju clektrona j pozitrcna u par /- l +}I-. Kada se ova] proccs

- . -. . _ .., _.~ - .

" ~, - .. . . . . . . ... . ... -._ .; . - _ - 1

- . . p . .

..'i aile rU(r) = - ex p (- i:./ ) ,r J11'7!C. . .. l

, r , . .. . . : - ++ . , .. I.. - . - ~' T~

-~.. 46.. 47

,.~ ... ~~ . - . . . . -I I - - r .

..-.... _ ., t1 ~~

t _... . ... -.,- .


28/51

. I I.. .. .,. " ' . :,.. ... .. -. . ~~.. . ." ~ . . . . -~. , . . . . , . .I .

. . : ' --~ . . . . . . -. -- : 0 jest on bi eksponcncijalno opadao za r > h/1J1c.Ovaj potcnci]al nasi naziv po

ja pa ns ko rn Ii zic ar u J uk av i ( Yu ka w a) , (Podse ti rno da jc tl/I1ZC Kornptonova ralasnaduzina cestice masc 1 1 1 . ) ,Dclovanjc J uk av in n g p ot cn ci ja la brzo opada sa por asto rn m 3S C' " nla si vn og

Iotoria" . To jc sasvim prirodno. o S L O jc vcc a m asa Ioton a.im an]! je prosror koji mu jc"dozvol jen" kvarunornehan ickorn retacijorn ncudrcdcnost] irnanj i j c c fcka ICOlonan a e lc kt ro n sk i oblak a10m3. U p opur ur ntm kn jig ar na iz oblas ri fizikc virt uelne: ( x + - - #"cesticc se cesto uporeduju sa lop tarna za odbojku cija r az rn en a t ar no -a m o zadrzavaj~racc .na :er~n u. Ovo po rcdenjc je svukako vrlo povrsno, jer se lepra ne krece zbogs i le p r iv l ac en ja . Medutirn, ak a nastavirno ova poredenje , bice jasno da ce, sto je tezale pt a, b it i ma nj i e fc kt iv n i tercn igralista za odbojku, .Loptu" ad lO Q kg ne rnozernodaleko baciti. '. F ajn rn an ovi dijagrarni sadrze u pu ts tv o z a i zr ac un av an je v er ov at no ce odgova-

r ajucih ? rocesa. U - kvantno j_m chanici - verovainoca proccsa jc da ta k .. adratornn10d~la.lzvesne ~onlp lck snc velicine, k oja s c n az iv a amplituda. F aj nr na n ov d ij ag r ampropIsuJU. algoritarn za izracunavan]e a mplliu de . S va ko rn elcmentu dijagrarnaodg~yara jedan o~rcdcni n ln oziL clj ( fa kto r), ta ka da Iinijc kojc prcdstavljaju [cainec cs ti ce o dg ov ar a] u talasnirn Iunkcijam a ovih ccstica, do k vertcksi odgovarajuko~stan tan la in terakcijc. L in ija rn a ko je p r c c J s t n v I j a j n virtuclne ccstice uF aj nr na no vi m d ij ag ra m il na odgovaraju Iunkcijc prostirunja ovih virtuclnih ~cslica ione sc nazivajupropagalori (od c ng lc sk og pro jJ a ga te - prosurau sc) ..

Propagator virtuelncg COlona koji prenosi cetvorodimenzionalni impuls q J C '

'". . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . ., , ...' -r .: ", .." _t - .... . . . ... .._ .. t-+ "" .

.- .' . . . .-~r

r - ~ , . I" "

r - .

,. - . . . . . . ,.. ~- .

.- - ~ . ' - -- 1- .'+ I- ,

- 1; , ,~ ,~.

. 0 1 ~ ~ .-.. - . ::~ , -I _ -- I ,, . . ~.. ~ , -1 . .- . . . . . . -

- . '- .. -~:' ., I . - ..- . . . .. -< .. ... . ... . Ir ' . . . . .-~

" ' " "" T ~ " ,.+- . I.. :.. .r I . " 7 ',~. . . r . . .. _.. . .:r+ r 1.. .,- .. r " : _'. . . . . ~

I " . I. . . . . . . .--- . . . .-.. - ' - ' 1- (l/q ),'- . 1 .._ ... ;--:_ . . . . .~. ' _' : ' - - : : . r ',.. de i 2 2 Z g e je q =q o - q , q o =Elc, gde Je E e ne rg ija k oju prcnosi Ioton, a q je im puls k oji

on prenosi. Posto je verovatncca proccsa p ropo rc iona lna kvadraiu amplitude,m ozcrn o -zak lju~ili da verovatnoca transfera in lpu lsa q u rasejanju, n a ' pr im e rJe1 ek tr on a n a elektronu opadu ka o l/q~. _

Propaga lor virtuclnog vektorskog bozona rnase 17 1 (" te~ki fOlon") sa~etvorOdimcnzionaIni1T! impulsom q jc .

.- ..' I . . , . ,.. .. , .I . .+ 1 '

. ' J I l l

. ',-_ . . . . _. ., ~ ,.. . ..." " .. -' - .J .- + ~

.. ,... - ..., . , 1., ., . -- i . ,L

I - _ ~fOZClno. p rim etiti da je , kada je 1 1 1 2 1 q2 ' j ' , - propagator p r ~ k t _ i c n o nezavisan adImpulsa 1 da se svodi na konstantu 1 / n z 2 . .+ - ,. . . -- ,

, .

~Ii s mo r .~ zm atr aIi r az mc nu " vr lo teskog [otona" jer ce naln to bili potreb no za~Iabc ln~~rakcIJe. Gouinc 1983. je kona~no ckspcrirncnlaIno dokazano da sc s)abaInLerakcJ]a odigrava riJZmen0I11 vrl0 tcSkih vcktorskih ~cslica. Ba~ kao ~to se sveelck[~omagnctnc i nt cr ak ci jc iz nlc du Jcplona i_k~arkova o Sl va ru ju v ir tu el ni nl~otonlInaJ taka sc is vi s la bi proccsi leptona j k.varkova os[varuju r azn1cnom lc~kjhInlcr~:edijar~ih ~ozona JV +, J V - iZ 0. imuginJrni masivni fOlon ( takav [oton nepOStO]! u pnroul) i az nl C: ll ra n j e sanlO ka o pOfilocnosrcdstvo u naso j d iskusiji 0tcskin1intermedijarnim bozonin1a.

.. ~ ..1'

. . . . . . . --- ~., ... - -.. ... ~ . . . .+ .

" -

- ,r~..' -

r . r ... .. ' ..

I ~ - I; . . . . . -. ~

jI~I,IJ..fr~Ii'II....

oil~

tttr, tIiJ.

--JII,II,itfIItI1I

J

I

I

-

,r

Radi r az um lj iv ij eg i zl ng an ja 0 cmisiji i apsorpciji interrnedijarnih bozcnarnoramo da uvcdcrno jo~ jedun novi - po jnm - struju, U stvari, ona jc b i la imp li c it uouk ljucen a u n asu diskusiju ad p rvog lrcnutka kada su hili spo rncnu t icrnisija ia ps or pc ij a I oi on a iIn te ra kc i] a i zm c du clcktrona iclcktromagnetnog p ol ]a . S tr uj eb oja su b ile ukljucene kada sm o govo rili a em isiji ia ps or pc ij i g lu on a , a slabe strujcsu bile im plic itn e u JJalgebri a nt ic es tic a" u s la bim interakcijama.

U s us ti ni , c eo proces r az vi tk a I iz ik e j e proces r az vo ]a s ve apstraktnijih pojrnovakoji o b ja sn j av a ju p rir od u svc adekvami je , ali su sve ~daljeniji od ncposrednogsvakodnevnog iskustva. Pojrnovi naboja (nije obavezno elcktr ican) i truje spadaju unajfundarnentalnije, prvobitric pojrnove modcrnc Iizikc, N jihova znacen je se ncmaze potpuno objasniti bcz prirnenc -matcmruickog jezika kvantrie teorijc polja.Medutirn, citalac rnozc da pokusa da nauci kako da operise ovim po jmov i rna , cakaka ih ne razurne U potpunosti. _

, P ocn irn o ad elektrornagnetne str uje . K ao p rva gruba aproksirnacija molcrnosmatrati da je elcktrornagnctna struja kretanjc elcktricnog n ab o]a, to jest to je skoroi st o ~ to iobicna clektricna stru ja . A li za n as je vazno da j c e l ek t romagne tn a strujai zv or Io to na . N a F aj nm an ov or n dijagrarnu elektrornagnetnoj s ir uj i e le ki ro nacdgovara ona j deo elektron - Caton vertcksnog dcla (slika 25a), koji sadrzi sarno

IIIlinij e elektrona (slika 25b).

y - r

..

(8) . (b) (c)

c+

. '~ (e)

y...

-

.

., ~~ ..

(d)SIik3 25. Oclovi Fajnmanovih 'dijngr3ma koji opisuju (3) cmisiju i;lpsorpciju [OlonJ clcklronom i+ - + " + " " , . r(c) pozilronom, (d) slv:Jrallje c ~ para fo[onom j (c) anitli13ciju e t parn u folon ..Dea Ils l&ke l3) ~OJI

odgov:Jra elckl ronlllgncinoj s l ruj i je prj k3za n nu slici (b)~

49

. . " P e , ... . . _ ' . > ' .

~ : -


29/51

Elcktromagnerna struja elekrrona jc o dg ov or nq . z a ernisiju ia ps or pc iju Io to na ,. .n e s ar no al l e le kt ro na , n cg o i oe l pozi t rona (slika 25c ) . P or ed to ga , odgovorna je za

stvaranjc ianihi laci ju parova clckt ron-pozitron u vertcksima na slikarna 25d i25c.U s tv ar i j c elektrornagnctna stru [a odgovorna za sv c clcktron-pozuron prc laze iSVCintcrakci]c clckrrona ipozi t rona sa rcalnlrn ivirtuclnirn Iotonima. Isr o v azi iZ3clektrornagnctne s tr uj c r nio na , tuu-lcptona, kvarkova iodgovarajucih a ntic cs tic a .

I ~Svc e l ek t ro r nagne tn e i n t c rnkci j e Icptona j kv ark ov a m ogu h i l i opisane ka ointcrakcl je Izrnccu lorena iukupne elcktromagnetne .struje j c m . Konsran ti l aveinterakcije j e e l ek t ri c ni naboj elckrrona e. Elcktrornagnctna s tr uja ir na sledeci oblik:

em - - _ 1 '" : : I 1- 1 1:" 2 - 2 - 2 -J ,= e e + )l fl -I- T T + " 3 u d + 3 " s S + 3u b -" 3 It u - " 3 c. c - " 3 .t t J~pri ~emu su razlomci odnosi naboja kvarkova prerna naboju clektrona (znacenje crte

.Ii zn ad s lo va c c h il i objasnjeno u d al je rn t ek st u) ,Ovo je vr lo pojcdnostavl jcn iz raz z a elekt romagneinu str u ju s obzirom da je jc m

cetvorodimenzicnatni, to jest eetvorokornponcnm, vektor,j ; ~ e l l = 0,1,2,3) .

Jedino je v re rnenska kornponcnta js razlicira od nule za elcktron U stanju mirovanja, alisu sve ~cl i ri kornponenre razficite ad nule za clektron U stanju krctanja,

Na Z a r O S l , tesko da cc ov a primedba ncsro objasntu ci taocu koji ba r malo nc poznajekvantnu elcktrodinamtku. M c du ti m, f in jc ni ca da je clcktrornagnctna s tr u ja c ct vor od im e n -zionalni vcktor je s uv is e v azna da bi se prencbrcgta. P od scc arno v as da je fo ton vektorska~cslica. Vektorske c e st ic e s u cmirovanc iapsorbovanc vcktorskorn strujorn. 0 ovomc cernogovor it i v ise u d a lj er n t ck s tu ove knjige,

. .'" .I s raknimo da je svaka kvark-struja zbir po tri boje kvarka: . .- - - -. II II = lit lil + lip up + lie u, J. - -.- - - .- ...C C = ClC!+ C I' Cp + c; C c J

i ak e dalje.

Foron je slep na bo je (daltonist). Prcrna tome sve kornponente elcktro-m agnelne struje su identi~ne, sa t acno~cu do faktora 1/3 (-2 /3. Sloga , mo:lemo daispilarTIO fizicko zna~enje slruje u sr ed sr ed ~ju ci Jla~ u pa~n ju n a jedan ad i z raza ,rcc inlo e e. SimboJi e ie U ovonl izrazu prcdsl3vljaju takazvane oper{l/ore koji uk"" \ 'anlnoj teoriji p o lj a o pi su ju stvaranje ianihilaciju ~cslica ia n ti ~ es ti ca . O p e ra to r eanihiJira elcklron, a e stvara elcktron. Operator struje e e anihilira postojcti elektroniodm ah S lvara jcdan novi elcktfon koji n e n lo ra bili u iSlam stan ju C ,K ralj je m rtav.Ziveo Kralj!U). U slvar i, svaki opera tor e ie imn ne jednu. nego dye odgovornos l i .Pored {aga ~[O operator e anihilira eicklronc, O'n Slvara ipozitronc, a opera tor e ,pored slvaranja eleklrona. anihiJira POZil!Onc. Otlavlle.i pOli~e opisanri . "algebraan tlces tica" . T o nam takodc oi-nogucava U3 jezikom F ajn ma no vih d ija gr ar na-r az m al ra n 10 p oz it ro n kno clek l ron koji se krece ,.u naz ad u v remenu" (n a slikan1a

+

50 -,. t~

23 a i23b na svakoj ad linija vlrtuelnih eJekl. rona mozerno zarnenj r] e" sa e- iobr nutlsmer strelice).1 .Dosada srno razrnatral i clektromagnetnu struju leptona i varkovn, S t rujc bojai l ab e s tr uj e SU or ganizov ane n a slican nacin,Stru]e obojcnih kvnrkova, odgovorne za cmisi ju gluona ad s t rane kvarkova,

i rna]u indekse b ojc k oji s u odrcdeni bojom konkrclnog emilovnnog iIi apsorbuvanogluona ( jedncg ad o sa rn ). T a ko , na primer, s t ru]a U t lie t ransforrnise crverii II kvar kU z U l i u k va rk e rn it uj uc i jedan crveno-antizuu (c z) gJuon iIi apsorbujucl jcdanzuto-anl icrveni (z C ) gluon. Ista struja opisuje i ransformaci]u antizutog aruikvarkau ant ic rveni a nt ik v ar k , s tv ar an je para "zuli kv ark - ant icrvem antikvark" i nihi1acijup a ra , .a nt iz ut i an tik va rk - crveni k va rk " .

III

S ad a c er no razrnatratl s la b e s tr u je . Poput eIektromagnetnih struja ilabe strujekv ark ova su bczbo jne , to jest one su zbi r po tr i i ndcksa b oje . U stvari , r ni s rn o ve euveli s labe struje U oueljaku Raspadi lep tona l kvarkova, k ad a srn o se pozivali nausla.be p ar ov e" l ep to n a i"sJabc pa rove" kvarkova, Svakom takvorn paru odgovara]ud ,~e konjugovane stru je (m i ccm o ill zvat i pozitivne j. negat ivne struje), N a p rim er ,par ev, c dg ov ar a s tr uja ma v & : e ie V e . Prva y~ e o p is u je t ra n sf o rm a c ij u elektrona uneut r ino (i annneutrona u poz i t ron) apsorbcl jorn lV' bozona iIi ernis i jom JV -bozona, a takode i ransforrnaciju J . y + u pa r e +Yc : ili transforrnaciju e- ve para u ~v -(slika 26). Drug~ str uja o pisu je p ro ce se s a k on ju ga cijo nl n ab oja (slika 27)..

..

w- w - -

.'

- -(a) (b) (c)

-

t1~t (d) (e) (f)lIJ,~.tP~

j1

SJ ik3 26. Verteksni delovi Fn jnmanovcg d ij agrama koji opisuju cm isiju JV - bozona i apsorpciju ~v+cozona ad slabe poz!livne slfuje v ( e. ...-

51

.. "

.- - -

o :.~::_r " "

' i . . I!

~~~. ! ~ -~f;\ ~~.,. ':" ..;.~" . j. ; . . . _ ~ . - .t . .. .~

,1. - ! o -- . '.. . . . . ..-~ . , rI ... . -. ~~ .

. . . . . . .1~I ~ " : : : -oI i . J d ., ,_ . . . . . . .t F :" .J.. .t . - . - ; ...t . : ..-

.. ,. '

. . . . .-... ~.-= - - : -~ ~ . ": - I _ ,' : 1 . . ~-:- . . . . . . .Y '1.- - ; ; - - : : ~'- . ~'.:='*'iE.~ . . ,., : ~ . - I ~- . . . . . .I . . '_ ~ .. -. . . . . .. _ . . . . . ---. . . . . ~._ .... .- ...: _ .. -' t ip

~~" ~ .'~ ." : 1. "" ; "~ . -~ ..

. ~ .

.. . . ..' . ... .. . . . . . . . . .1

-..

, ~ . . .. .. . -. " +~!. . ... . . . . . :... ... .I '! ., . ' _ . . . . . .'-~:-J. '

. p I. E_+ . .. '. . . . . . . .~..~~ . - .... . J I K~. ~ " - 1 1\.. . ~ ' , . . ... . .. -. . . . ~l~ ~ 'I ..I_., ,. , . ..... .,"iF.t I I J i (i- ;,~, . . . r .1 - ". ' of', +_ .' i ~ "~i~ .~..


30/51

~ . - , > ." - . "-I.-:.- -. . . . - t,I. k om po ne nti s u m an ji n eg o k oe fic ijcn li lcptonskih struja ( od go va ra ju ci k os in us i su

man j i ad jcdinice). T i koc fi c ij e n ti odrcduju rclat ivnu jacinu razl ici t ih kvark-kvark ik~ark-Jepton slabih i nte ra kc ij a ... 1w - ' "..Itl!1

.-

.. . .- . -f - . . t : . .I I .r~ ~.r ~. . ~ i. ~ : - .' \~,:

' .J,4

,,,!~~itILJI..

. ;;

.II

~ . , .~..-

I .. . .. .. . ..

,..

~ .::, -... -B ..

. .i ' -, ~.-~ -t '. -.'" , -... ..4 ~ . . , e

e

,. . . . . . - -~ I

(a) (b) (c)

, .- 1.l

- ..4. . - "j , .

~,L~~ I.,

,~ -

, , w+1IJI1IIII+j

II'. .. . _ ." 1~: .-j ~.-" . e ,~ . ,r, . ..'" .r _L " . . - ' I I ~ I\. ,., .- .

- . (d) (c) (f) ,

(a) (b),,"S l ika 28 . O r to vi k oj i odgovaraju trirna naelektrisanim Icplonima (a) i [ r ima neurrinirna (b). Siabeleptonske stru]e odgovara ju s ka l ar n ir n p r oi zv o di m a ortova (a) i (b). P o~ (o s u odgovarajuci Icptonski ortovi

(a) i(b) paraleln i po p ar ov im a , p os to je s ar no t ri n cg at iv ne Icptonske struje (i_ "elji 1~1,T vr) ir i p o z it i vn estruje./, _. .'t . ~ .\ _. - - -" .. . . . . . . . Sllka 27. Verteksni dclovi Fajnrnanovlh d ij ag ra ma k oj i opisuju crnisiju IV" bozona i apsorpciju JV -bozona ad slabe negativne struje e V e . I- . I - _~ - -. . I~.. .. -: . . : .

- ' ~

U ku pn a p oz itiv na str uja odg ovor na z a a ps or pc ij u p oz it iv n ih JV-bozona sastojise od dvanaest komponcnti: tri lcptonske id c ve t k v ar k ov s ki h . To vazi iza ncgat ivnustruju. T e rmi ni " p qz it iv n a struja" i neg~tivna struja" n isu , u stvari , s tandardni izrazi

. .u Iitcraturi. Mi smo ih u ve li kako bi nasprikaz bin jasniji. Obicno sc 0 njima gq~or i. . . . . .ka o 0 naelektrisanoj struji injenoj korijugovano] struji, gde sc obicno po d prvorn

podrazumeva n a sa n e ga ti vn a , a p od d ru go m nasa p oz it iv na s tr uj a. Sv i slabi proccsi, '.koje sr no razrn atrali na p rcth ocJn im 51 r nn ic a r na desava]u se za t o ~lO naelektrisana

- . . . . .slab a str uja in terag u]c sa svojo m kon jug ovan orn strujorn razrnenom virtuclnih ~V-~bozona. ~

.' b:- : - - .. .. " , .r ,_ . " ~ _\ .I I .~

+

t-w1 .r 1: . I\ - , ,. I .I ' - _: " " II I

Documents

Okunj - Elementarne cestice