Elementarne čestice

Potraga za osnovnim sastavnicama kosmosa seže daleko u prošlost

• Atomska Demokritova hipoteza

• Koliko ima “osnovnih” cigli? • - zrak

– vatra– zemlja– voda

Kažu stari Grci.

1911. Rutherford je našao nukleus u atomu tako što je alfa čestice usmjeravao na tanke folije od zlata otkrivši da se neke od njih odbijaju i vraćaju nazad.

Rutherford: atomi nisu elementarne čestice!

Atomi

Svi atomi su građeni od protona, neutrona u jezgru i elektrona koji kruže oko jezgra

elektron

proton

neutron

Protoni i neutroni su sastavljeni od kvarkova

Elektron je prva elementarna česticaKoja je otkrivena(JJ Thomson 1897)

Periodni sistem elemenata

U Periodnom sistemu elemenata ima 114 elementa sa različitim

osobinama: masa, kristalna struktura, tačka topljenja …

Atomi su složeni objekti

• Protoni (+ električni naboj), p

• Elektroni (– električni naboj), e

• Neutroni (nez naboja), n

• Proton i Neutron imaju približne mase

• Elektron je oko 2000 puta manje mase od protona

• Električne sile stvaraju privlačenje između elektrona i protona u

nukleusu

Oblak elektronske vjerovatnosti

Hemijski elementi su definisani brojem protona u atomskom jezgru

• Vodonik, 1 proton i 1 elektron

proton10-10 m

Ugljik ima 6 protona

Nukleus:6 protona

6 ili 7 neutrona

Oblak od 6 elektrona

Primjedba: Skala veličina Je pogrešna, nukleus je preuveličan

Unutrašnjost atoma: neutroni, protoni, elektroni

Ugljik (C )

Zlato (Au)

Atomski broj Z=6 (broj protona)

Maseni broj A=12 (broj protona + neutrona)

# elektrona = # protona (atom je elektro-neutralan)

Atomski broj Z = 79

Maseni broj A = 197

#elektrona = # protona

Nicolo Cartiglia -INFN Torino 10

Subatomske čestice Today

Od atoma do kvarkova

Atomi i subatomske čestice su mnogo manji nego talasna dužina vidljive svjetlosti.

Zato ih zaista ne možemo “vidjeti”. Svi crteži dolaze iz umjetničke mašte.

Da bismo više saznali o subatomskim strukturama, trebaju nam akceleratori čestica.

Koliko su mali najmanji sastavni dijelovi materije?

~ 10-10 m~ 10-14 m

~ 10-15 m

<10-18 m

<10-1 8

m

Subatomski svijet

Početkom 20. stoljeća počinje gomilanje elementarnih čestica. Da bi se

objasnilo izlijetanje elektrona iz električki neutralnog atoma, mora se

pretpostaviti postojanje pozitivnog naboja u atomu. Nosioci tog naboja

nazvani su protoni.

Time je neutralnost atoma postala logična; on je sastavljen od

negativnih elektrona i pozitivnih protona. U atomu ih je toliko da se

njihov broj uravnotežuje. Međutim, pojavio se nedostatak ovakve šeme.

Naime, prebrojavajući elektrone i protone u atomu izlazi da u atomu

nedostaje oko polovica mase. Privremeno rješenje je bilo da atom

sadrži jednak broj protona i elektrona, s tim što je polovica elektrona

smeještena oko jezgre a druga polovica i svi protoni u jezgri.

Malo istorije

Ali i ovo rješenje je osporeno. W. Heisenberg je pomoću relacija

neodređenosti, pokazao da nije moguće da elektron boravi u jezgri

atoma. On predlaže da jezgra atoma uz pozitivni proton sarži i

neutralnu česticu mase podjednake masi protona. Tu česticu

nazvali su neutron.

Prije 1930. kao elementarne čestice poznate su samo proton, elektron i

foton. Elektron je 1897. identifikovao Thomson, a foton je 1905.

definirao Einstein.

Foton je elementarna čestica, kvant elektromagnetnog zračenja, koji se

u vakuumu kreće brzinom svjetlosti c, nema masu, a sadrži energiju:

E = hf , gdje je h - Plankova konstanta, a f - frekvencija

Malo istorije

Neutron•I pored rapidnog napretka fizike u prvih par

dekada 20-tog stoljeća nije bilo poznato više

elementarnih čestica sve do 1932. kada je

Chadwick dokazao postojanje neutrona.

1932. James Chadwick je otkrio neutron.

Time je riješen problem nedostatka mase u

atomu: broj elektrona u atomu jednak je broju

protona, a broj neutrona je onoliki koliko ih

treba da upotpune masu atoma. Tako je broj

neutrona približan broju protona, što je inače

zavisno od svakog konkretnog atoma.

•A kada je otkriven neutron, činilo se da su

dovoljna ova 3 sastavna elementa: elektron,

proton i neutron.

James Chadwick (1891-1974)

Neutrino

To je bilo dovoljno, sve do otkrića β raspada. Naime, u β raspadu

zbivala se čudna pojava – nestajala je energija. Kad se napravio

„obračun“ energije prije raspada i uporedio s onim poslije raspada

rezultat je bio da elektroni odlaze s premalo energije. Rješenje je da

negdje nestaje energija ili je pronađen događaj koji narušava

osnovno pravilo dotadašnje fizike – zakon očuvanja energije.

Čvrstu odbranu zakona očuvanja energije je izveo W.Pauli.

Pauli iznosi hipotezu da pri β raspadu dio energije sa sobom odnosi

čestica koja nastaje u raspadu. Čestica, radi očuvanja neutralnosti

atoma, treba biti neutralna pa je imenuju neutrino, mali neutron.

Masa neutrina je jako malena , ali on odnosi taj nedostajući dio

energije.

Uvođenje neutrina

Neutrino, igra važnu ulogu

kod radioaktivnih raspada

n -> p+ + e- + ve

Čestica ve (elektronski neutrino) je u bliskoj vezi sa elektronom, ali

ima sasvim drugačije osobine.

Ime Masa Naboj

elektron 0.0005 GeV -1

Elektronski neutrino < 0.00000001 GeV 0

-

Klasifikacija čestica Sve čestice se mogu svrstati na dva načina , prema spinu i prema

nekom drugom svojstvu.

Čestice se prema spinu dijele na fermione i bozone.

Fermioni su one čestice koje imaju polovični spin , a bozoni

čestice koje imaju cjelobrojni spin. Dalje, pokazuje se da su fermioni oni

od kojih je građena materija, a bozoni oni koji prenose interakciju i tako

održavaju vezu među fermionima.  

Neka druga podjela svrstava čestice u tri grupe: kvanti polja, leptoni i

hadroni.

Hadroni obuhvaćaju dvije podgrupe: mezone i barione.

U kvantnoj elektrodinamici polje se opisuje pomoću nosilaca

međudjelovanja, tzv. kvanata polja.

 

Nicolo Cartiglia -INFN Torino 19

u

d

c

s

t

b

e

e

Problem:Priroda koristi ove 4 čestice

quark

leptons

12 fundamentalnih čestica

Nije jasno zašto ove postoje

Standardni model

Fundamentalne čestice

Standardni model

Materija• 6 kvarkova• 6 leptonaGrupirani u 3 generacije

Sile• Elektroslaba:

(foton) - Z0, W±

• Jaka - g (gluon)

Ovaj model je veoma dobar za opisivanje svega do sada uočenog u subatomskom svijetu. Ali tu mora biti nečeg mnogo više!

Okvir koji sadrži:

Nema gravitacije! Još nema kvantne teorije Gravitacionog polja!

H= nedostajuća čestica: Higgs-ov Bozon

Klasifikacija je zasnovana na 4 (3) temeljna međudjelovanja u prirodi: 

1.Kvanti elektromagnetnog i slabog nuklearnog polja

(tzv.elektroslabo polje)

Toj skupini čestica pripadaju foton i intermedijarni bozoni.

Foton je elementarna čestica, kvant elektromagnetnog zračenja, koji

se u vakuumu kreće brzinom svjetlosti c, nema masu, a sadrži energiju:

E = hf , gdje je h - Plankova konstanta, a f - frekvencija

Intermedijarni bozoni su čestice velike mase (90 GeV/c2) i nosioci su

slabe nuklearne sile. Otkrili su ih Carlo Rubbia i Simon van der Meer iz

Evropskog nuklearnog centra u Ženevi (Cern), koji su za to otkriće dobili

1984.godine Nobelovu nagradu.

2.Leptoni

Leptoni dolaze od grčke riječi “leptos” što znači sitan ili tanak.

Leptoni su lagane elementarne čestice koji ne reagiraju na jaku silu pa

djeluju slabim nuklearnim silama. Imaju naboj 1 (osim neutrina koji su

neutralni). Karakterizira ih zakon očuvanja leptonskog broja - zbir leptona

(leptonski broj 1) i antileptona (leptonski broj -1) koji ulaze u reakciju jednak

je broju leptona koji iz nje izlaze. Spin im je 1/2 te poštuju Paulijev princip

isključivosti.

Leptoni su:

elektron, tri vrste neutrina, mion i čestica τ

Mion možemo shvatiti kao teški elektron.

Masa mu je bliska masi piona i kad je pronađen smatralo se da je to mezon.

 

3.Hadroni

Hadroni dolaze od grčke riječi hadros što znači jak , snažan.

Hadroni su teške elementarne čestice. Oni međudjeluju jakom nuklearnom

silom koja je najjača u prirodi. Tipični hadroni su nukleoni tj. neutron i

proton.

Hadroni su prema masi podijeljeni ma: - mezone (mase između e i p)

- barione (tj.one koje su teški)

Danas ta podjela nije više opravdana!

Bolja je podjela koja kaže:

Mezoni su oni hadroni čiji je spin 0 ili cjelobrojni višekratnik h/2π.

Barioni tj. nukleoni i hiperoni imaju spin jednak neparnom višekratniku

(h/2π),tj. ½ (h/2π) , 3/2(h/2π)…

Vrijednost spina određuju statistička svojstva čestica:

Bozone određuje Bose-Einsteinova statistika,

a fermione Fermi-Diracova statistika.

Slaba interakcija

•U 60-tim godinama prošlog

vijeka Glašou (Sheldon

Glashow), Vajnberg (Steven

Weinberg) i Abdus Salam su

predvidjeli da postoje

čestice, koje su oni nazvali

W (za weak=slab) i Z i da su

one odgovorne za slabu

interakciju.

•Te čestice su uočene.

Sheldon Glashow (1932- )

Abdus Salam (1926-1996)

Graviton

•Sugerisano je da postoje čestice

•Nazvane gravitoni koje su

•odgovorne za gravitacionu

•interakciju.

•Graviton je medijator gravitacije u kvantnoj teoriji polja i postuliran je radi

uspjeha fotona u kvantnoj teoriji elektrodinamike.

•Graviton mora biti bez mase , mora putovati brzinom svjetlosti, imati spin

2, i mora intereagovati sa svim česticama koje imaju masu-energiju.

•Graviton nikada nije bio uočen zbog njegove izuzetno slabe interakcije sa

objektima.

4 sile u prirodi

Slaba• Bete raspad

Jaka• Vezanje kvarkova

Elektromagnetna•TV, PCs • Magneti

• e- e+ stvaranje

GravitacijaOdgovorna za našu stabilnost na zemlji

Električni naboj

masa

Slab naboj

Jak naboj

Fundamentalne interakcije

Jedan od važnih ciljeva fizike čestica jeste da unificira ove sile (da

pokaže da su sve one samo različiti aspekti iste sile), kao što je to

Maksvel (Maxwell) uradio za električnu i magnetnu silu prije mnogo

godina.

Subatomske čestice interaguju razmjenom “bozon” čestica cjelobrojnog spina.

Promjenjljive interakcije odgovaraju da razmijene bozone različitih

karakteristika.

Razmjena čestica je odgovorna za silu.

Sila Jačina Nosilac Fizikalni efekat

Jaka nuklearna 1 Gluoni Drži na okupu jezgro

Elektromagnetna .001 Foton Svjetlo, elektricitet

Slaba nuklearna .00001 Z0,W+,W- Radioaktivnost

Gravitacija 10-38 Graviton? Gravotacija

Slaba sila - Beta raspad

n p

Antineutrino

Electron

Fundamentalne interakcije

Konačni domet efektivno konfinira čestice koje, zbog principa

neodređenosti, imaju minimalni impuls i stoga minimalnu kinetičku

energiju i masu. Fotoni i gravitoni su bez mase, a W and Z bozoni su

teški.

Elektromagnetna sila

e- e-

Photon

Odbojna sila koju “osjećaju” dva elektrona koji se približavaju.

Foton je čestica koja se pridružuje

elektromagnetnoj sili.

Čestice sileČestice međudjeluju i/ili se raspadaju zbog sila.Sile su takođe odgovorne za vezivanje čestica.

Jake: gluoniSamo kvarkovi

Slabe: W+, W-, Z0

Leptoni i kvarkovi (samo sila za neutrine)

Elektromagnetna:Kvarkovi i nabijeni leptoni (nema neutrina)

Gravitacija: graviton?Tek treba da se otkrije

Ima zanemarljiv efekat na čestice.

Klasifikacija elementarnih čestica

•Čestice koje imaju polovičan spin zovu se fermioni a one sa

cjelobrojnim spinom se zovu bozoni.

•Ovo je koristan način klasifikacije elementarnih čestica jer izgleda da je

sva stabilna materija u svemiru građena od fermiona.

•Fermioni slijede Paulijev princip isključivosti, a bozoni ne.

•Fotoni, gluoni, W± i Z se zovu gauge bozoni i odgovorni su za jake i

slabe interakcije.

•Gravitoni su takođe bozoni – imaju spin 2.

•Fermioni djeluju privlačnom ili odbojnom silom jedan na drugog tako što

izmjenjuju gauge bozone koji su nosioci sile.

Higgs’ov bozonPredviđen je još jedan bozon, ali nije bio

detektovan. Neophodan je u kvantnoj teoriji

poljada bi objasnio zašto W± i Z imaju tako

veliku masu, a fotoni nemaju mase.

•Ovaj nedostajući bozon se zove Higgs’ova

čestica (ili Higgs’ov bozon) po Peteru Higgsu,

koji ga je prvi predložio.

•Standardni model predviđa da postoji polje

koje se zove Higgs’ovo polje koje prožima

cijeli prostor.

•Intereagujući sa ovim poljem čestice dobijaju

masu. Čestice koje jako interaguju sa Higsovim

poljem imaju tešku masu; čestice koje reaguju

slabo imaju malu masu.

.

Simulirani događaj koji prikazuje pojavu Higssovogbozona

Nicolo Cartiglia -INFN Torino 37

Šta želimo da nađemo u LHC?

Među mnoštvom novih čestica za koje se nadamo da ćemo pronaći, jedna je posebno važna:

HIGGS-ova čestica

Higgs-ov bozon je vrlo teška čestica i

teško ju je stvoriti.

Pokušavaju da je nađu već 20 godina i

misli se da su na pragu tog otkrića.

Mr Higgs

Osobine bozona

Higgs-ov bozon je veoma težak, a još nije uočen.

Potraga za Higgsovim bozonom je najveći prioritet fizike

elementarnih čestica.

Unifikacija osnovnih sila

Electricity

Magnetism

Light

Beta-decay

Neutrinos

Protons

Neutrons

Pions, etc.

Earth Gravity

Celestial Mech.

Electromagnetism

Weak Interaction

Strong Interaction

Universal Gravity

Spacetime Geom.

Electroweak Interaction

StandardModel

GeneralRelativity

?

1864

1965

1971

1973

1976

1687 1916

Nakon standardnog modela:Unifikacija sila (interakcija)

WEAK

STRONG GRAVITY

ELECTRO-MAGNETIC

UNIFIEDFORCE?

Potraga za jednostavnom elegantnom unificiranom teorijom.

Leptoni: elektroni, mioni, tau-čestice i neutrini

•Leptoni su vjerovatno najjednostavnije elementarne čestice.

•Pojavljuju se kao tačkaste strukture, tj. kao da nemaju nikakvu unutrašnju

strukturu i izgledaju zaista elementarno.

Do sada nema plauzibilne

indikacije da su oni sastavljeni od

nekih više fundamentalnih čestica.

Svakom leptonu je pridružen jedan

neutrino nazvan prema svom

naelektrisanom partneru (npr.,

mion neutrino).

Postoji samo šest leptona plus

šest njihovih antičestica.

Mion i tau raspad

•Mion se transformira u elektron, a tau čestica može da se transformira u elektron, mion ili čak hadrone.

•Raspad miona (kroz slabu interakciju) je:

e

e

Neutrino•Neutrino nema naelektrisanja.

•Elektronski neutrino nastaje u beta-

raspadu neutrona.

•Njihove mase su vrlo male. Tačna masa

neutrina može uticati na postojeće teorije

vasione zbog gravitacionog privlačenja

masa.

•Kao i svi drugi leptoni i neutrini imaju spin

½. Svatri neutrina su eksperimentalno

potvrđeni.

•Neutrine je posebno teško detektovati jer

nemaju naboja , a imaju veoma malu masu i

interaguju veoma slabo (vrlo lako prođu

kroz zemlju!).

.

Slika sunca snimljena ne

pomoću svjetlosti već

pomoću neutrina, napravljena

na japanskoj neutrinskoj

opservatoriji Super-

Kamiokande

Neutrino

•Jedan od najintrigantnijih problema u posljednje tri decenije bio je problem

solarnih neutrina: broj neutrina koji stižu na Zemlju sa sunca je za faktor 2 ili 3

manji u odnosu na naše razumijevanje proizvođenja energije (nuklearna fuzija).

•Neutrini dolaze u tri varijante ili ukusa: electronski, mionski i tau-neutrino.

Naučnici su uočili da neutrini nastaju u Zemljinoj atmosferi pod uticajem

kosmičkih zraka i pri tome se mijenjaju tj. “osciluju” u drugi ukus (sunce emituje

samo elektronske neutrine).

•Osim toga, ovo se može dogoditi samo ako neutrini imaju masu.

Hadroni•Hadroni su čestice koje

djeluju kroz jaku silu.

•Postoje dvije klase hadrona:

mezoni i barioni.

•Mesoni su čestice sa cjelobrojnim spinom sa masom koja je veća od

mionove mase (106 MeV/c2). (Mezoni su napravljeni od parova kvarkova –

kvark i antikvark). Oni su nestabilni i rijetki.

•Barioni imaju mase bar kao protoni i imaju spin od pola cijelog broja. U

barione spadaju proton i neutron od kojih se sastoji atomsko jezgro, ali

postoje i mnogi drugi nestabilni barioni. Termin “barion” je izvedenod

grčkog βαρύς (baris), što znači “težak“ jer u vrijeme kad su ih imenovali

vejerovalo se da barioni imaju veću masu nego druge čestice. (Čine ih tri

kvarka). Svi se barioni raspadaju na protone.

Nicolo Cartiglia -INFN Torino 46

Korištenjem akceleratora. Čestice se ubrzavaju do brzine svjetlosti i onda ih sudarate jedne sa drugima.

Kako nastaju nove čestice?

Proizvođenje elementarnih čestica

Da bi se proizveo Higsov bozon tj. omogućili sudari čestica koji su dovoljno

snažni potrebni su akceleratori čestica izuzetne snage, bio je potreban veliki

hadronski kolajder (the Large Hadron Collider) (LHC).

Akceleratori

Protoni se ubrzavaju i

sudaraju u LHC. Dva snopa

putuju u suprotnim

smjerovima.

Električna polja daju ubrzanje

jer se jer se isti odbijaju, a

različiti privlače.

Magnetna polja upravljaju

snopovima protona obzirom

da se nabijene čestice u

magnetnom polju kreću po

kružnoj stazi.

magnets

Detekcija

Koliziona energija

kondenzira se u

česticama (e-, p, p…)

Detektori koji okružuju

tačke sudara osjetljivi na

prolazak energetskih

čestica.

Na četiri mjesta duž LHC prstena

protoni iz dva suprotno-

ubrzavajuća snopa se sudaraju.

ATLAS

Nicolo Cartiglia -INFN Torino 50

LHC @ CERN: Čestice se ubrzavaju duž cirkularne staze duge 27 kilometara koja se nalazi 100 m ispod zemlje

Snopovi protona koji cirkuliraju čeono se sudaraju 40 miliona puta

svake sekunde.

Nicolo Cartiglia -INFN Torino 51

Nicolo Cartiglia -INFN Torino 52

Da li zaista postoji anti-materija

Svaka čestica ima svoju antičesticu sa suprotnim karakteristikama.

Čestice i antičestice

Pojam antičestice je u fiziku uveo Dirac svojom teorijom elektrona.

Danas su poznate antičestice gotovo svih elementarnih čestica.

Da bismo bolje razumjeli što je antičestica, poslužit ćemo se crtežom

na slijedećoj slici.

Naime, kad je Dirac pomoću svoje teorije postavio ispravnu

jednadžbu kretanja za elektron, uočio je da se ravnopravno sa

rješenjima s pozitivnom energijom javljaju i rješenja s

negativnom energijom. Rješenja (stanja) pozitivne energije su

„realni“ svijet : elektroni koji se kreću u materiji i koje opažamo. Ali

šta su rješenja negativne energije?

Antičestice imaju istu masu i vrijeme život kao njima pridružene

čestice.

Imaju istu veličinu, ali suprotnog znaka kao što je električni naboj

i razni kvantni brojevi.

• I njima je Dirac htio-ne htio,

morao dati fizikalno značenje.

Najjednostavnije je bilo reći da

sva ta stanja također postoje, ali

da su popunjena elektronima;

kad bi, naime, ta stanja bila

prazna ili djelomično popunjena,

elektroni bi iz stanja pozitivne

energije «propadali» u stanja

negativne energije, kao što

kuglice padaju u jamu (po

načelu minimuma potencijalne

energije). Drugim rječima, došlo

bi do raspada Svemira, a to se u

stvarnosti ne događa.

Pozitron

•1928. Dirac je uveo relativističku teoriju

elektrona kombinujući kvantnu mehaniku i

teoriju relativnosti.

•On je našao da njegova talasna

jednačina ima i negativno i pozitivno

rješenje vezano za energiju.

•Njegova teorija može da se interpretira

kao vakuum koji je napunjen

beskonačnim morem elektrona negativnih

energija.

•Ako se dovoljno energije prenese u

“more” moguće je da jedan elektron s

pozitivnom energijom bude izbačen iz

“mora” ostavljajući iza sebe šupljinu koja

je pozitron obilježen sa e+.

Paul Dirac (1902-1984)

E 0

Vacuum Elektron & pozitron

Positron!

Prva antičestica

Dakle, P.Dirac je 1933. postulirao postojanje čestica negativne

energije, te ih nazvao antičestice. Uz prvu antičesticu vezana je

zanimljiva okolnost da je najprije predviđena a onda tek

pronađena. Osnovna svojstva elektrona izlazila su neposredno iz

Diracove teorije. Postojala je činjenica da u toj teoriji ima mjesta

za još jednu česticu.

Drugim riječima, teorija građena za potrebe opisivanja jedne

čestice, elektrona , ispala je preširoka za elektron, ona obuhvaća

elektron ali ostavlja mogućnost postojanja još jedne čestice

sličnih svojstava. Upravo na mogućnost postojanja nove čestice

upozoravao je Oppenheimer.  

 

Još iste godine Anderson je ulovio

tu novu česticu. Na fotografskoj

ploči zapazio je trag nepoznatog

gosta iz svemira (kozmičke zrake).

Po otklonu u magnetnom polju bilo

je sasvim nedvojbeno da je riječ o

pozitivno nabijenoj čestici.

Negativna bi se otklonila u drugu

stranu. Zakrivljenost staze i

debljina traga omogućuju da se

utvrdi masa te čestice. I to je bilo u

skladu s predviđanjem. Bio je to

pozitron, antičestica elektrona.

Mogli bismo ga zvati i antielektron.

Pozitron

•Carl Anderson je identifikovao

pozitron u kosmičkim zrakama1. To

je bilo lako jer pozitron ima

pozitivno naelektrisanje i malu

masu.

Carl Anderson (1905-1991)

Andersonova fotografija maglene

komore sa tragom pozitrona

Sve čestice, čak i one neutralne (sa nekim izuzecima kakvi su neutralni pioni), imaju svoje antičestice.

1Kosmički zraci su visokoenergetske čestice, većinom protoni, koje presijecaju interstelarni prostor i ulaze u Zemljinu atmosferu gdje njihovo međudjelovanje sa česticama stvara kosmičke “tuševe” mnogih čestica.

Anihilacija

Susret elektrona i pozitrona koban je za oba. Oba nestanu, pretvore se u

zračenje. Tu pojavu zovemo anihilacija .

Svaki za sebe, i elektron i pozitron ne mogu se raspasti, ne mogu se

pretvoriti u zračenje. Svaki od njih nosi električni naboj , a naboj je

neuništiv pa tako i elektron ili pozitron koji nose taj naboj. Međutim, kada

se elektron i pozitron nađu zajedno ukupni je naboj jednak nuli, jer

elektron je negativan, a pozitron pozitivan ali jednake količine naboja. Kad

su zajedno, ukupni naboj bit će jednak nuli. Zračenje će isto tako biti bez

naboja , pa ništa ne spriječava da se elektron i pozitron pretvore u

bljesak, jednom rječju anihiliraju (ponište) . Veza između mase i energije

daće nam energiju u koju će se pretvoriti elektron i pozitron. Sva energija

čestice i antičestice prelazi u energiju zračenja.

Materija i antimaterija – stvaranje parova

•Elektron-pozitron par stvoren tako što

su fotoni udarali u tečnost gasne

komore.

•To je primjer konverzije fotonske

energije u materiju i anti-materiju.

•Spirale materije i anti-materije idu u

suprotnim stranama u magnetnom polju

radi suprotnog naboja.

•Energija i impuls su očuvani.

Pozitron-Elektron Interakcija

•Krajnja sudbina pozitrona (anti-elektrona) je anihilacija sa

elektronom.

•Nakon što se pozitron uspori prolazeći kroz materiju, privuče ga

elektron Kulonovom silom i tako se anihilira kroz reakciju:

Sva anti-materija na kraju ima

istu sudbinu. Puno energije

se oslobodi u ovim procesima:

sva materija se pretvori u

energiju.

Uopštavanjem Diracove ideje za sve vrste polja (a ne samo

elektromagnetno) vidi se da svaka čestica ima svoju antičesticu.

Tako je antiproton, proton negativnog naboja, pronađen još 1955.

godine, antineutron koju godinu kasnije itd. Antičestice se ne

moraju međusobno razlikovati po naboju: npr. neutronu suprotna

čestica, antineutron također nema naboja.

Najispravnije je reći da se čestica i antičestica razlikuju u

onom svojstvu koje je karakteristično za polje čija se

energijska stanja promatraju. Za elektromagnetno polje to je

električni.

• Općenito sve antičestice navedenih čestica u svim tabelama imaju:

• 1.Jednako: masu ,spin, prosječno trajanje( ili vrijeme

• života) , šemu raspada …

• 2.Suprotno: naboj, magnetski moment,moment

• količine kretanja, barionski broj,leptonski

• broj, stranost ...

Antičestice su, dakle, fizikalna realnost i po svojoj materijalnosti su

ravnopravne česticama. U tom smislu treba i tablicu 1. dopuniti

pripadnim antičesticama. Međutim, pitanje zašto u našem svemiru

prevladavaju čestice jedne vrste, dok se pripadne antičestice mogu

proizvesti samo uz znatan utrošak energije još je bez jasnog i

sveobuhvatnog odgovora

Tablica1.

Svojstva čestica i antičestica

Fajnman-ovi Dijagrami

•Fajnman je predstavio posebno jednostavnu grafičku tehniku kojom se

opisuju interakcije.

•Ona predviđa da, kada se dva elektrona približavaju, prema kvantnoj

teoriji polja, oni razmijene serije fotona koji se zovu virtualni fotoni, jer

ne mogu da se direktno opažaju.

•Akcija elektromagnetnog polja (na primjer Kulonove sile) može da se

interpretira kao razmjena fotona. U ovom slučaju kažemo da su fotoni

nosioci ili medijatori elektromagnetne sile.

Primjer Fajnmanovog prostor-vrijeme dijagrama. Elektroni intereaguju kroz medijaciju fotona. Ose se obično ne

stavljaju.

Jukavin (Yukawa) mezon

•Japanski fizičar Hideki Jukava je

imao ideju da razvije kvantnu teoriju

polja koja bi opisala silu između

nukleona analognu onoj sa

elektromagnetnom silom.

•Da bi uradio ovo, morao je da odredi

nosioce ili medijatore nuklearne jake

sile analogno fotonu kod

elektromagnetne sile koje je nazvao

mezon (izvedeno iz grčke riječi meso

što znači “srednji” radi njegove mase

koja je između masa elektrona i

protona).

Hideki Yukawa (1907-1981)

•Jukavin mezon, zvani pion (ili pi-mezon, tj. -mezon), je identifikovan

1947. Uradili su to Pauel ( C. F. Powell (1903–1969)) i Očialini (G. P.

Occhialini (1907–1993)).

•Nabijeni pioni imaju mase od 140 MeV/c2, a otkriveno je kasnije da

neutralni pion 0 ima masu od 135 MeV/c2.. •Jukavin pion je odgovoran za nuklearnu silu.

Jukavin mezon

Fajnmanov dijagram koji predstavlja izmjenu piona (Jukavinog mezona)

između neutrona i protona.

Drugi mezoni, kvarkovi i gluoni

Nukleoni i mezoni dio opšte grupe čestica formirane od još više

fundamentalnih čestica : kvarkova (quarks). Čestica koja

posreduje jaku interakciju između kvarkova, zove se gluon (“glue”

znači ljepilo koje drži kvarkove zajedno);

Ona je bez mase i ima spin 1, baš kao i proton.

Kompjuterska slika kvarkova i gluona u nukleonu

Zaključak

Foton, neutrino, elektron, proton i odgovarajuće

antičestice stabilne su elementarne čestice.

Ostale čestice se spontano raspadaju i pretvaraju u

druge čestice (npr. mion se se spontano raspada u

elektron, antineutrino i mionski neutrino).