Částicová fyzika

Částicová fyzika

Ve třicátých letech byla představa o hmotě jednoduchá a přehledná.

Proton

Neutron

Elektron MeV511.0m0

MeV56.939m0

MeV27.938m0

Foton MeV0m0

Gravitace

Elektromagnetická interakce

???

Hmota

Záření

Interakce

Zásadní otázka:

Co vlastně drží pohromadě atomová jádra?

Pro projekt „Cesta k vědě“ (veda.gymjs.net) vytvořil V. Pospíšil ([email protected]). Modifikace a šíření dokumentu podléhá licenci CC-BY-SA.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme

do vaší budoucnosti

Částicová fyzika

Musí existovat síla, která drží pohromadě jádra. Má následující vlastnosti:

• Silnější než elektromagnetická

• Má krátký dosah

• Působí stejně na protony i neutrony

Dosah síly

Protony

Neutrony

Částicová fyzika

Dosah síly je jako dosah ruky boxera

– po určité vzdálenosti její vliv prudce klesá k nule

Silná interakce

krátký dosah na rozdíl od nekonečného

dosahu gravitace a elmg. interakce

Síla mezi nukleony je dozajista projevem nějakého pole, obdobně jako elektrostatické přitahování a odpuzování je projevem elektromagnetického pole. Existuje-li ovšem foton jako kvantum elektromagnetického pole, jaká kvanta tvoří pole silné interakce?

Částicová fyzika

1934 – Yukawova teorie mezonu

Proton

Neutron

Elektron

Foton Elektromagnetická interakce

Yukawa spočítal, že klidová hmotnost mezonu má být cca 153 MeV (300x hmotnost elektronu). To, že kvantum má nenulovou klidovou hmotnost souvisí s konečným dosahem silné interakce.

Pozn.: název „mezon“ znamená „středně hmotný“

Částicová fyzika

1937 – objev nových částic v kosmickém záření. Jsou však

lehčí, než předpovídal Yukawa. 1946 – ukazuje se, že nové částice jsou ve skutečnosti dvě: μ a π

μ

π

Částicová fyzika

Proton

Neutron

Elektron

Foton

Mezon π (pion) MeV140m0

MeV106m0 Muon (μ)

Yukawou předpovězená částice

Částicová fyzika

Paul Dirac

1923 – P. Dirac předpovídá existenci antičástic

Základní rovnice vzešlá ze spojení kvantové mechaniky a speciální teorie relativity má vždy dvě

řešení – pro částici s kladnou a se zápornou energií.

Diracovo moře

E = 0

Kladná energie

Záporná energieVšechny stavy se zápornou energií musí být zaplněny –

Pauliho vylučovací princip pak zbrání, aby obyčejné elektrony

do těchto stavů napadaly.

Částicová fyzika

Carl David Anderson (1905-1991)

1932 – objev pozitronu (antičástice elektronu)

Objevitelský snímek pozitronu.

Pozitron s vysokou energií vniká do mlžné komory v místě A. Po průchodu 6 mm tlustým olověným plátem ztrácí část

své energie. Ze zakřivení trajektorie v magnetickém poli

je možné určit náboj i hmotnost částice.

A

B

Částicová fyzika

Myšlenka Diracova moře byla rychle opuštěna. Místo toho bylo zjištěno, že

druhé řešení relativistické kvantové rovnice náleží jiné částici s kladnou energií, ale

opačnými kvantovými vlastnostmi. Každá částice má příslušnou antičástici.

Proton

Neutron

Elektron MeV511.0m0

MeV56.939m0

MeV27.938m0 Antiproton

Antineutron

Pozitron

Foton = Antifoton

Částicová fyzika

Poválečná představa o elementárních částicích

Proton

Neutron

Elektron MeV511.0m0

MeV56.939m0

MeV27.938m0 Antiproton

Antineutron

Pozitron

π + MeV140m0 π -

μ + MeV106m0 μ -

Foton

eeAnihilace :

Částicová fyzika – objev neutrin

Beta rozpad eBA

eZnCu 6430

6429

eCaK 4020

4019

eHeH 32

31

Roku 1930 se při studiu β rozpadu došlo k výrazné nesrovnalosti v energetické bilanci reakcí.

β rozpad je dvoučásticový, ze z.z. hybnosti a energie plyne, že každá částice musí mít pevně danou energii.

e-

p+

p+

p+nn n


m1

m2

Hybnost před rozpadem p = 0, tudíž i po rozpadu musí být celková hybnost 0.

Evm21vm

21

0vmvm

EEEpp0

222

211

2211

21

21

Em21vm

21

Em21vm

21

212

2

21

2211

2

12

12

211

12

12

vmm

vmm

vmmv


m1

m2


Evm21vm

21

0vmvm

EEEpp0

222

211

2211

21

21

Em

mmE

Emmm1vm

21

Evmmm

21vm

21

2

121

22

12

211

212

2

21

2211


m1

m2


Evm21vm

21

0vmvm

EEEpp0

222

211

2211

21

21

Emm

mE

Emm

mE

12

12

12

21

Pozn. : nerelativistické přiblížení


Emm

mE

Emm

mE

12

12

12

21

Energie při dvoučásticovém rozpadu se rozdělí v obráceném poměru hmotností. Jelikož ale

je možné tvrdit, že těžké jádro získá téměř nulovou kinetickou energii, zatímco elektron prakticky všechnu. Protože energie rozpadu je pevně dána, měla by pozorovaná energie elektronů být rovněž pevně dána.

21 mm

Ee-

mno

žstv

í čás

tic

E

Šířka vrcholu je dána přesností

měřicích přístrojů.


Ee-

mno

žstv

í čás

tic

E

Toto rozdělení ukazuje, že energie elektronu při β rozpadu je náhodná (do maximální hodnoty E), což je v příkrém rozporu s teoretickým výpočtem

Niels Bohr1885 - 1962

Neplatí z. z. energie!

Wolfgang Pauli1900 - 1958

Existuje lehká neutrální částice, která odnáší zbytek energie.


Enrico Fermi1901 - 1954

Pauli má pravdu!Je to neutrino!

υepn 00

01

11

10

Rozpad neutronu

υ00


Cecil Frank Powell (1903-1969)

π

μ

1947 : Mám nepřímý důkaz!Zvláštní rozpad pionu.

υμπ 2 e

Mlžná komora


Existence neutrina byla definitivně potvrzena r. 1956 pozorováním „inverzního β rozpadu“, reakce

enpυVlastnosti neutrina jsou velmi zajímavé : má velmi nízkou klidovou hmotnost (teprve v r. 1998 byl získán první nepřímý důkaz, že má klidovou hmotnost větší než nula) a téměř nepodléhá interakcím s ostatní hmotou:

Tisíce světelných let

Olovoneutrino 50% šance že proletí

Dnes také víme, že neutrin je více druhů (tři různá neutrina a tři příslušná antineutrina).

Částicová fyzika – podivné částice

π+ π-

1947 : První pozorování rozpadu těžké neutrální částice, která byla do té doby neznámá. Byla pojmenována „Kaon“ a označena jako KO.

ππK0


V krátké době se vyrojili další a další částice a reakce

πππK πππK πpΛ0

Kpπ00π Kp


p

Co je to za

džungli !?


Murray Gell-Mann 1929 -

Řád byl do džungle vnesen r. 1961 – vznikla „cesta osmi“ (Eightfold way) coby první pokus o jakousi periodickou tabulku v částicové fyzice.

K0 K+

π+

K0K-

Π- π0

S=1

S= 0

S= -1

Q=0

Q=1

Q=-1

Geometrické obrazce

Podivnost

Náboj


Murray Gell-Mann 1929 -

Σ-

Δ- Δ0 Δ+ Δ++

Σ0 Σ+

Ξ- Ξ0

S=0

S=-1

S=-2

S=-3

Q=-1

Q=0

Q=1

Q=2

Zde nebyla žádná známá částice. Gell-Man předpověděl její existenci a spočítal její náboj a hmotnost. Navíc řekl experimentátorům, jakou reakcí ji bude možné vyprodukovat. A v zápětí byla nalezena.

Částicová fyzika – kvarkový model

d u

s

S=0

S=-1 Q=-1/3

Q=2/3

Q=1/3Q=-2/3S=0

S=1s

u d


James Joyce

http://membres.lycos.fr/geryon/bio.htm


Ostatní obrazce se dají sestavit ze dvou kvarkových trojúhelníků.

dds

ddd udd uud uuu

udsuus

dss uss

S=0

S=-1

S=-2

S=-3

Q=-1

Q=0

Q=1

Q=2

sss


Kvarkový model měl jeden zásadní nedostatek – i přes intenzivní hledání přes 20 let dlouhé nebyly kvarky nikdy pozorovány jako samostatné částice. Navíc, částice typu (uuu), (ddd) či (sss) zjevně porušovaly Pauliho vylučovací

princip.

Až do roku 1974 nebyl kvarkový model uznáván a v částicové fyzice přetrvávala větší či menší džungle.


dds

ddd udd uud uuu

udsuus

dss uss

S=0

S=-1

S=-2

S=-3

Q=-1

Q=0

Q=1

Q=2

sss

Nedostatky kvarkového modelu :• Nebyly nikdy pozorovány samostatné kvarky• Porušoval Pauliho vylučovací princip


1964 - O. Greenberg navrhuje řešení problému s Pauliho vylučovacím principem zavedením nové kvantové vlastnosti kvarků – barvy. Má-li každý kvark v dané částici (uuu, ddd, sss) jinou barvu, nejsou identické a Pauliho vylučovací princip se na něj nevztahuje.

u

d

s

u

u

u d

d

ds

s

s


uud

ud d

Vlastnost „barevnost“ u složených částic nepozorujeme, neboť tři různé barvy či barva a antibarva dá dohromady „bílou“ – bezbarvou částici.

Neutron

Proton

ud π-

du π+

Pozn.: kvantová vlastnost „barva“ samozřejmě nemá nic společného s optickými jevy.

Částicová fyzika – objev J/Ψ

Zavedení barev kvarků vyřešilo problém s Pauliho vylučovacím principem a zároveň naznačilo, proč nelze pozorovat samostatné kvarky – pokud pozorovatelné objekty (částice) musí být bezbarvé, pak je možné spojovat kvarky po dvou (barva-antibarva) nebo po třech (tři barvy nebo tři antibarvy), ne však čtyřech či po jednom.

Nutnost „bezbarvosti“ pozorovatelných částic byla ale spekulace a kvarkový model nebyl podložen experimentálně. Mezi roky 1964 – 1974 se o kvarcích v „lepší fyzikální společnosti“ nemluvilo.

S. C. C. Ting 1936 -

Burton Ritcher 1931 -

J

Objev J/Ψ r. 1974, Nobelova cena r. 1976


J

• Elektricky neutrální

• Extrémně těžká (3.1 GeV)

• Extrémní doba života (10-20 s)

Obdobně těžké částice (mezony) mají typickou dobu života 10-23 s, tato částice žije tedy 1000x déle, než srovnatelné částice. To je jako objevit kdesi v Andách vesničku, ve které se lidé dožívají běžně 70000 let. To nemůže být nějaká anomálie, ale známka úplně nových, doposud neznámých biologických jevů. Objev J/Ψ tedy znamenal převrat ve fyzice částic.

Tento objev je často označován jako Listopadová revoluce.

O vlastnostech J/Ψ se v měsících po jeho objevu hodně diskutovalo, nicméně zcela vyhovující vysvětlení podal kvarkový model:

ccJ


J/Ψ je vázaný stav nového kvarku a antikvarku. Tento kvark byl označen jako půvabný (charm). Vázaný stav cc by dle kvarkového měl mít opravdu tak dlouhý život, jak bylo naměřeno.


Existence nového kvarku (c) impikuje existenci mnoha nových částic:

(dss) Ξ- Ξ0 (uss)

(sss)

(dds) Σ- Σ+ (uus)

(ddd) Δ- Δ++ (uuu)Δ0 (ddu) Δ+ (duu)

cus

cdd

ccd

ccc

ccu

cuucud

ccs

csscds

c=0

c=1

c=2

c=3ucD0 dcD

Částicová fyzika – standardní model

e

e

Rodina Částice Symbol m(MeVc-2)

Náboj (e)

Anti-částice

Elektronováelektron e- 0.511 -1 e+

elektronové neutrino < 0.000003 0

Mionovámion 105.7 -1

mionové neutrino < 0.19 0

Tauonovátauon 1777 -1

tauonové neutrino < 18.2 0

Leptony

Současné vědomosti o elementárních částicích shrnuje tzv. Standardní model. Elementární se zde rozumí taková částice, u které nelze pomocí současných experimentálních metod pozorovat vnitřní strukturu.


Částice Symbol m(MeVc-2)

Náboj (e)

Anti-částice

Horní (Up) u 5 + 2/3 u

Dolní (Down) d 10 - 1/3 d

Půvabný (Charm) c 1500 + 2/3 c

Podivný (Strange) s 200 - 1/3 s

Pravdivý (Truth) t ≈ 180000 + 2/3 t

Krásný (Beauty) b 4300 - 1/3 b

Kvarky

Současné vědomosti o elementárních částicích shrnuje tzv. Standardní model. Elementární se zde rozumí taková částice, u které nelze pomocí současných experimentálních metod pozorovat vnitřní strukturu.


Jak to všechno drží pohromadě?

Elektromagnetická

Silná

Slabá

Gravitační

4 základní interakce

Elmg., silnou a slabou interakci lze vysvětlit pomocí výměny určitých druhů částic částic - mediátorů


e-

e-

• Interakce vysvětlena výměnou částic (mediátorů)

• Kvantová teorie pole

• Feynmanovy diagramy


Elektromagnetická

• Reaguje na elektrický náboj

• Nekonečný dosah

• Odpudivá i přitažlivá

• Nosičem (mediátorem) je foton


Silná

• Reaguje na barvu

• Krátký dosah

• Přitažlivá, odpudivá pouze na velmi krátké vzdálenosti

• Nosičem (mediátorem) je gluon

Silná interakce drží pohromadě kvarky v částicích, její zbytková forma pak drží pohromadě atomová jádra.


Neexistují volné barevné částice – za což může jev uvěznění kvarků. Budeme-li se snažit uvolnit kvark z nitra nukleonu, poroste síla, kterou je v něm vázán. Pokud při „oddalování“ kvarku dodáme dostatečnou energii, vytvoří se pár kvark – antikvark, který se naváže k původním tak, že vzniknou dvě nové bezbarvé částice. Analogii vidíme při natahování pružiny. Pokud pružinu natáhneme moc, praskne a zbudou nám pružiny dvě.


Slabá

• Reaguje na typ kvarku či leptonu (někdy označováno jako chuť - flavor)

• Krátký dosah

• Odpudivá, neexistují stabilní systémy vázané slabou interakcí. Je zodpovědná za některé rozpady částic

• Nosičy (mediátory) jsou tzv. intermediální bozony


Mediátor m (GeVc-2) Náboj (e)foton 0 0

gluon 0 0

W+ 80.4 +1

W- 80.4 -1

Zo 91.187 0

graviton 0 0

Částicová fyzika

Documents