Oddziaływanie między kwarkami a leptonami.pdf

Wykład dla I roku fizyki Wybrane Działy Fizyki Współczesnej, 2013

2 Ludzie od zawsze pragnęli zrozumieć z czego składa się wszystko to co nas otacza, chcieli wiedzieć jakie jest pochodzenie Wszechświata. Takie pytania przekraczają wszelkie kultury i bariery czasowe. Były interesujące dla starożytnych w Mezopotamii, w Egipcie, Chinach i w Grecji, są interesujące dla współczesnych badaczy. Są też przedmiotem wielu popularnonaukowych opracowań.

Empedokles z Akragas (483 - 423 p.n.e.) Ogień PowietrzeZiemia Woda GorącoSuchość Zimno Wilgotność Miłość Nienawiść

Nagroda Nobla z Fizyki, 1979 Sheldon Glashow Abdus Salam Steven Weinberg François Englert Peter W. Higgs Nagroda Nobla z Fizyki, 2013 Powstanie Modelu Standardowego.. …i ostateczne potwierdzenie 1967 2012 Peter Higgs, one of the 2013 physics Nobel Laureates, stands in front of the CMS detector

(str. 1193 - 1204) + dalsze strony (1204 - 1236)

7 Historia, przed Modelem Standardowym

Początkowe poglądy na temat oddziaływań Ugruntowanie poglądów poprzednich - filozofia mechanistyczna Kartezjusza – ciała zawsze oddziałują na siebie w sposób bezpośredni przez pchniecie lub pociągniecie W złagodzonej wersji ciała oddziałują także będąc oddalone od siebie siłami zależnymi od odległości pomiędzy nimi. Na tej podstawie Newton stworzył podstawy mechaniki i grawitacji.

Pierwsze oddziaływanie jakie poznano to oddziaływanie grawitacyjne. Newton podał prawo przyciągania dwóch mas. r r mM GG 3 gZ N  −= Oddziaływanie grawitacyjne jest zawsze przyciągające Dlaczego ciała oddziałują grawitacyjnie? Czemu oddziaływanie jest natychmiastowe? Czemu zawsze przyciągające? Wszystkie rysunki w tej prezentacji są skopiowane z http://perso.club-internet.fr/molaire1/e_plan.html

Odpowiedź została częściowo udzielona przez Einsteina w Ogólnej Teorii Względności. ---- masy powodują zakrzywienie przestrzeni, ---- małe ciała np. fotony poruszają się w tej zakrzywionej przestrzeni po liniach „prostych” zwanych liniami geodezyjnymi. Dalej jednak nie potrafimy odpowiedzieć na dalsze pytania np. na podstawowe pytanie - dlaczego istnieje związek pomiędzy masami a strukturą przestrzeni.BRAK KWANTOWEJ TEORII GRAWITACJI

W XIX wieku koncepcja mechanistyczna zaczęła zawodzić. Wykryte zostały oddziaływania magnetyczne, najpierw Faraday a później Maxwell podali teorie elektromagnetyzmu. Siły nie działają wzdłuż prostej łączącej dwa ciała. Mogą: 1) być skierowane w innym kierunku, 2) zależeć od prędkości ciał. Faraday wprowadził, a Maxwell ugruntował pojęcie POLA t),x(At);,x(  ϕ

Siła jaka działa na ciało w danym punkcie w zadanej chwili czasu zależy od pola w tym punkcie w danym czasie. t)},x(Bvt),x(E{qt),x(F  ×+= Ładunek Natężenie pola elektrycznego Prędkość Wektor indukcji magnetycznej Powstanie Mechaniki Kwantowej dało nowe wyobrażenie o roli cząstek i pól. Do tej pory pojęcie punktu materialnego było związane z cząstką, fala kojarzyła się z polem. Dualizm korpuskularno – falowy połączył te dwa punkty widzenia. W zależności od sposobu obserwacji cząstka raz bardziej przypominała punkt a innym razem falę.

Kwantowa wersja oddziaływań elektromagnetycznych powstała pod koniec lat 20 poprzedniego stulecia, stworzona przez Heisenberga, Diraca, Borna i Jordana. Pole elektromagnetyczne opisane w teorii Maxwella dwoma wektorowymi polami E i B stało się zbiorem cząstek, kwantów pola, zwanych FOTONAMI. Oddziaływanie pomiędzy dwoma ładunkami polega na wymianie pomiędzy nimi ogromnej liczby fotonów. elektron elektron elektron elektron wymieniany foton Podstawowa teoria tłumacząca istnienie ATOMÓW

Oddziaływanie elektromagnetyczne pomiędzy dwoma elektronami można sobie wyobrazić jako ciągłą wymianę FOTONÓW Oddziaływanie może być przyciągające lub odpychające. Można to sobie wyobrazić odpowiednio jako wymianę bumerangu pomiędzy dwoma osobnikami na łódkach (Rys. 1) lub piłki (Rys. 2). Rys.1 Rys.2

Były jednak problemy z taką teorią – zamknięte pętle dawały nieskończenie wielkie wkłady Zamknieta pętla daje nieskończony wkład S.Tomonaga, J.Schwinger,R. Feynman,F.Dyson pokazali w 1947 roku, że można wyeliminować te nieskończoności wprowadzając procedurę renormalizacji. Freeman Dyson e! e! e! e! ! !

Elektrodynamika Kwantowa (Quantum ElectroDynamics = QED) jest jedną z najbardziej precyzyjnych teorii stworzonych przez człowieka. Wykorzystując nowy sposób prezentacji oddziaływania pomiędzy atomami można inaczej „spoglądać” na wnętrze atomów. Pomiędzy dodatnio naładowanym jądrem a elektronami są bez przerwy wymieniane fotony. Na rysunku obok jest to przedstawione jako migotające tło w którym ani elektrony ani jądro nie są widoczne. Taki sam mechanizm można zastosować dla wiązań pomiędzy atomami, a dalej dla związków chemicznych, nawet bardzo skomplikowanych. Tak więc, QED jest podstawową teorią potrzebną do „wyjaśnienia” wszystkiego co nas otacza.

17 Historia Podstawowe składniki Od elektronu (1897) do cząstki Higgsa (2012)

18 NN 1906 Andrzej Wróblewski „Historia Fizyki” Odkrycie elektronów

19 !  E. Rutherford (1911) ----- obserwacja rozpraszania cząstek α na jądrach złota (α + Au). !  C. Wilson (1912) –skonstruowanie komory Wilsona. !  V. Hess (1912) ---- odkrycie promieniowania kosmicznego. !   E. Rutherford (1919) ----- obserwacja reakcji jądrowych, wykrycie protonów (protony to jądra atomów wodoru). !   A. Compton (1922) ---- wykrycie fotonów w rozpraszaniu Comptona. !   C. Anderson (1932) – odkrycie pozytonu. !  J. Chadwick (1932) ----- ciężkie fotony to nowe cząstki nazwane neutronami, elektrycznie obojętne o masie zbliżonej do masy protonu. NN 1908 z chemii NN 1935 NN 1927 NN 1936 NN 1936 NN 1927

20 !  E. Lawrence (1932) ---- konstrukcja cyklotronu. !   C. Anderson i S. Neddermeyer (1934) ----- odkrycie mezonów „µ” z promieniowania kosmicznego i początkowe mylne potraktowanie ich jako cząstki Yukawy. !   C.F. Powell (1947) ----- odkrycie pionów Yukawy mezonów pi). !   A. Glaser (1952) ----- zbudowanie pierwszej komory pęcherzykowej służącej do detekcji promieniowanie kosmicznego. §  L.W. Alvarez --- wykrycie wielkiej liczby cząstek rezonansowych za pomocą komory pęcherzykowej !   R. Hofstadter (1954) ----- rozpraszanie elektronów na jądrach, zbadanie rozmiarów jąder. !   E. Segrè, O. Chamberlain(1955) ---- odkrycie antyprotonu. !   Odkrycie wielu nowych cząstek ( K, ρ, ω,ϒ, Δ, Ω, .....). NN 1950 NN 1961 NN 1960 NN 1939 NN 1959 NN 1968

22 !   F. Reines, C.L. Cowen (1956) ---- wykrycie neutrina elektronowego. !   L. Ledermann, M. Schwartz, J. Steinberger (1962) -----wykrycie drugiego rodzaju neutrin - neutrin mionowych. !   M. Gell-Mann, G. Zweig (1964) ---- hipoteza, że odkrywane cząstki składają się z kwarków (asów). !   G. Charpak (1968) ---- odkrycie wielodrutowych komór proporcjonalnych !   I.J. Friedman, H. Kandall, R.E. Taylor (1968-70) ---- eksperymentalne wykrycie kwarków i gluonów. !   B. Richter, S. Ting (1974) ---- wykrycie czwartego kwarku –powabnego „c”. NN(FR) 1995 NN 1988 NN(GM) 1969 NN 1990 u = up, d = down, s = strange , c = charm NN 1976 NN 1992

23 !   M. Perl (1975) ----- odkrył istnienie trzeciego leptonu naładowanego „τ”. !   L. Lederman (1978) ----- odkrył piąty kwark piękny„b”. !   W ośrodku Fermilab koło Chicago został wykryty szósty kwark „t” (1995). !   W tym samym ośrodku zostało zaobserwowane trzecie neutrino (2000). !   W CERN-ie cztery eksperymenty pracujące przy akceleratorze LEP pokazały, że istnieją tylko trzy generacje kwarków i leptonów. § W LHC - odkrycie cząstki Higgsa (2012) NN-1995 Łącznie19nagródNobla

24 Historia Podstawowe oddziaływania Elektrodynamika( 1948) Model Glashowa-Weinberga-Salama (1967) Chromodynamika kwantowa (1973).

25 Kwantowa wersja oddziaływań elektromagnetycznych powstała pod koniec lat 20 poprzedniego stulecia, stworzona przez Heisenberga, Diraca, Borna i Jordana. Pole elektromagnetyczne opisane w teorii Maxwella dwoma wektorowymi polami E i B stało się zbiorem cząstek, kwantów pola zwanych FOTONAMI. Oddziaływanie pomiędzy dwoma ładunkami polega na wymianie pomiędzy nimi ogromnej liczby fotonów. elektron elektron elektron elektron wymieniany foton Podstawowa teoria tłumacząca istnienie ATOMÓW R. Feynman, J.Schwinger, S. Tomonaga, NN 1965 H. Yukawa (1935) ---- przewidział istnienia mezonów na podstawie teorii sił jądrowych NN 1949