cesta do mikrosvěta - gymnaziumtrebic
DESCRIPTION
Přednáška na gymnáziu v Třebíči r. 2008TRANSCRIPT
“Tento velký detektivní příběh dosud není vyřešen. Nemůžeme si být jisti, zda vůbec má konečné řešení. Četba nám již poskytla mnoho: naučila nás základům řeči přírody; umožnila nám porozumět mnohým z klíčů a byla často zdrojem radosti a povzbuzení v namáhavém a strastiplném pokroku vědy” A. Einstein, L. Infeld: “Fyzika jako dobrodružství poznání”
1. Úvod
2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout?
2.1 Kdy to začalo? 2.2 O platnosti teorie rozhoduje experiment 2.2 Hierarchická struktura hmoty 2.3 Srážky – hlavní metody studia mikrosvěta
3. Urychlovače a experimenty na nich
3.1 Když to začalo 3.2 Jak urychlovače vypadají a fungují 3.3 Co nám řeknou? 3.4 Jak chytat a měřit částice
4. Letošní Nobelova cena za fyziku
4.1 Standardní model 4.2 Symetrie – jak poznat antihmotného mimozemšťana
5. Závěr
Vladimír Wagner
Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: [email protected], WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/
Cesta do mikrosvěta aneb
jak člověk poznával a poznává strukturu hmoty
Úvod
Atomová idea - řečtí atomisté Demokritos a Leukipos 5. století př. n. l. pouze filosofické úvahy
Od Adama ne! ale od řeckých atomistů ano !
Atomová hypotéza - konec 17. století, experimentální náznaky pro její budování testovatelné předpovědí
Atomová teorie - 18. a 19. století chemie a fyzika poskytla experimentální data pro její experimentální potvrzení
20. století - vybudování teorie popisu hmoty a tří ze známých interakcí - „standardního modelu“ a její experimentální potvrzení
21. století - dokončení sjednoceného popisu hmoty a všech interakcí (možná ve strunové teorii)
Pozorujeme náznaky 1) možnosti sjednocení popisu všech interakcí 2) možnosti, že „fundamentální“ částice nejsou bodové ale „struny“ s konečným rozměrem
Začátek zkoumání hmoty v 17. století Zkoumání hmoty dnes
experiment ALEPH v CERNu
Fyzika mikrosvěta – jaké má metody?
Mikrosvět – neobvyklé vlastnosti popisované kvantovou fyzikou
Přiblížení pomocí analogie – tato zjednodušení je třeba je brát velmi opatrně
Věda hledá popis reálného světa
Pravdivost různých interpretací lze řešit jen experimentálním pozorováním
Každá vědecká teorie i hypotéza musí být falzifikovatelná - testovatelná
„Jediné, co mě zajímá, je najít soubor pravidel, která by souhlasila s chováním přírody, a nezkoušet jít příliš daleko za to. Zjistil jsem, že většina filozofických diskusí je psychologicky užitečná, ale nakonec, když se podíváte zpátky do historie, zjistíte, že to, co bylo kdysi řečeno s takovou pádností, je téměř vždy -- do jisté míry -- nesmyslné! “
R. Feynman v rozhovoru v knize P. Daviese a J. Browna „Superstrings: A Theory of Everything?“
Nalezené zákonitosti umožňují dělat testovatelné předpovědi
Úplné pochopení teorie ↔ úplné osvojení fyzikálního i matema-tického aparátu → spočtení předpovídaných fyzikálních veličin Richard Feynman
Karl Popper v Prazev r. 1994
Použití pojmů z makrosvěta na vlastnosti mikrosvěta ↔ pozor opatrně při interpretaci
Složení hmoty
Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce
Důležité nástroje pro popis mikrosvěta:
1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenbergův princip neurčitosti
Atomová fyzika, fyzikální chemie
Jaderná fyzika
Fyzika elementárních částic
Superstrunové teorie? (rozměr 10-35 m)?
Hustota vody 103 kg/m3 Hustota jádra ~1018 kg/m3RATOM/RJÁDRO ~ 105 → VATOM/VJÁDRO ~ 1015
Počátek – objev radioaktivityObjev radioaktivity Henri Becquerelem počátkem roku 1896 . Horké téma té doby byl objev rentgenového záření Wilhemem Röntgenem v listopadu 1895 na univerzitě ve Würzburgu.
H. Becquerel zkoumal luminiscenci solí uranu. Nové pronikavé záření podobné rentgenovému. – Nezávisí na osvícení. Vlastnost všech látek s uranem i bez luminiscence. → → Radioaktivita je nová vlastnost uranu.
Podrobné zkoumání radioaktivity M. Curie a P. Curie:radioaktivita je vlastnost tzv. radioaktivních prvků. Kvantitativní měření. Objev radioaktivity thoria, dva nové radioaktivní prvky – rádium a polónium. Existují různé typy radioaktivního záření (různé chování v elektrickém a magnetickém poli, různá míra absorpce v materiálech).
W. Röntgen Irene a Frederic Joliot-CurieL. Meitnerová a O. Hahn se podílely na objevu štěpení
Radioaktivita → vysoká produkce energie – tepla → posun stáří Země.(bez radioaktivity by Země vychladla z několik desítek milionů let)
Biologické účinky radioaktivity Walkhof, Giesel, Becquerel a P. Curie – radioterapie.
F. Joliot-Curie, L. Kowarski (1939) objevují uvolnění dvou neutronů po absorpci neutronu 235U a jeho štěpení – cesta k řetězové reakci a jejímu využití – jaderný reaktor a bomba.
Sopka Rinjani v Indonesii Irene a Marie Curie ve vojenské nemocnici a moderníkobaltová ozařovna v nemocnici v Ostravě
Počátek studia stavby atomu
Diskuze okolo modelu atomu J.J. Thomsona – atom je kladně nabitá koule (3∙10-10m) uvnitř níž jsou elektrony.
Studium chování záření α při průchodu kovovými foliemi – H. Geiger a E. Marsden pod vedením E. Rutherforda (1910). Pozorují:
1) Většina částic α letí přímočaře nebo se rozptýlí jen trochu2) U několika málo pozorují velký odklon a výjimečně i odraz (velmi překvapivé).
Vysvětlení: atom se skládá ze dvou rozdílných částí: atomového jádra (10-14 m) a elektronového obalu → jaderný či planetární model atomu.
Přítomnost protonů (jader vodíku) v atomovém jádře prokázal E. Rutherford (1919).
W. Bothe a H. Becker (1930) nový pronikavý typ záření (ostřelování Be, B nebo Li částicemi α). J. Chadwick (1932) - jsou to neutrální částice s hmotností blízkou hmotnosti protonu – neutrony Planetární model atomu:
Rutheford a Marsden u zařízení
http://www.aip.org/history/lawrence/larger-image-page/epa-20.htm
Historické stránky Americké fyzikální společnosti (AIP)
Potřeba urychlovat částice na vyšší energie – produkce a hledání nových částic
Existence kosmického záření – jeho doplnění umělým zdrojem
Princip urychlovače typu cyklotron
První urychlovač – E.O. Lawrence v roce 1930
typ – cyklotron
zdroj částicmagnetické pole – kruhová dráha částiceelektrické VF pole pro urychlení
Nobelova cena za fyziku 1939
nyní více než 10 000 urychlovačů různých typů
!!! Potřebujeme urychlovač !!!
Původní patentový nákres a model prvního urychlovače(průměr okolo 11 cm, V = 1800 V) Současné urychlovače – obrovské množství různých
typů. Od malých produkčních pro medicínu (japonský R = 1 m) až po giganty v CERNu (R = 4 km)
Z čeho se urychlovač skládá:
Iontový zdroj – produkce nabitých částic
Elektrostatické nebo proměnné elektrické pole – urychlení částice – urychlovací systém
Magnetické pole – určuje dráhu částice, provádí fokusaci svazku – magnetické čočky vedou svazek a snaží se co nejvíce jej zúžit
Radiační ochrana – zajištění bezpečnosti pomoci stínění
Vakuový systém – částice se při urychlování musí pohybovat ve vysokém vakuu – nutný systém vývěv
Zdroj plazmy – elektrický výboj
Dipólové magnety LHC
Chlazení – supravodivé magnety potřebují heliové teploty
Řídící centrum urychlovače LHCKryogenní systém pro LHC
Řídící systém – ovládání, řízení a kontrola práce urychlovače Urychlovací prvky LHC
V současnosti se dokončil největší urychlovač na světě
1700 supravodivých magnetůz nich 1232 největších dipolových 200 teplých magnetů
Tedy 1700 kryogenních propojení.Tedy 50000 kryogenních svarů200 000 m2 vícevrstevné izolace
Obvod 27 km – slušná linka metra- čtyři experimenty čtyři zastávky čtyři křížení dvojice rour
Spouštění magnetu do podzemního tunelu
Spojovací část mezi jednotlivými sekcemi
120 tun supravodivého a supratekutého helia
LHCb
CMSALICE
ATLAS
Experimentální pozorování je rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její přeměnu v teorii
Větší detaily, energie a teploty, produkce těžších částic
Stěžejní nástroj – srážka urychlených částic
Nárůst energie → větší detaily
Zatím největší urychlovače E ~ 100 GeV → 10-18m
Produkce částic s vyšší klidovou energií (hmotností)
Energie už přímo makroskopické – pád 0,02 g z výšky 1 m srážka dvou menších much nebo větších komárů
Klidová hmotnost protonu: ~ 1 GeV/c2
LHC – srážka protonů s energiemi 7000 GeV
Jádra olova (208 nukleonů) na každý 2700 GeV 1 123 200 GeV = 1,8∙10-4 J
Hmotnost 1 g se stejnou rychlostí 51017 J (10 000 hirošimských bomb)
Stejná energieRozdíl rozměrů 1014
V současné době se připravují ke startu
1 eV = 1,602∙10-19J
Budovaný urychlovač LHC
Proč: Studium hmoty existující ve vesmíru Pochopení vlastností sil, které v přírodě působí
Dosažená teplota: ~ 2,1×1012 K
Dosažená hustota: ~ 4 ρ0 = 1018 kg/m3
Jak: Urychlovač – produkce husté a horké hmoty (možnost prokázal urychlovač BEVALAC) Experimentální zařízení – studium této hmoty
Soustava s neutronovou hvěz-dou v představách malíře
RHIC a LHC jsou kuchyně pro vaření velmi horké polévky
80. léta – začátek studia horké a husté jaderné hmotyZačátek 21. století – studium extrémně horké hmoty
Jak získat nejhustší a nejteplejší hmotu v laboratoři
Nejen připravit hmotu z počátku vesmíru, ale i si ji prohlédnout
Máme na to detektory – a tu jsou jejich úkoly:
1) Zachytit co nejvíce částic a určit jejich vlastnosti2) Zachytit a určit energii i těch nejenergetičtějších částic3) Zachytit dráhu krátce žijících částic nebo dráhy jejich produktů rozpadu4) Určit hybnosti částic5) Určit náboje částic
Vnitřní dráhové detektory
Hadronové kalorimetry
Elektromagnetické kalorimetry
Velké dráhové komory(umístěné v magnetickém poli)
Jeden z posledních snímků ALICE před letošním uzavřením jeskyně
(nejmladší „fyzik“ na obrázku pochází z české ALICE komunity)
!!! Velký experiment – potřeba hodně lidí !!!
Účast našich studentů na instalaci křemíkových driftových detektorů a jejich elektroniky
Čekání na ALICI – čekají i čeští fyzikové
Standardní modelHmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo)
Tři druhy interakcí: 1) Silná - kvantová chromodynamika (působí pouze na kvarky a z nich složené hadrony – baryony a mezony)
2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie
+ antičástice
Gravitace stojí mimo standardní model – je velmi slabá a v mikrosvětě se neprojevuje
tvoří běžnou hmota za normálních podmínek
výměnný charakterinterakcí
baryony – tři kvarky
mezony – kvark a antikvark
elektrický náboj
barevný náboj
Jak vidět kvarky?1) Lze pomocí nich vysvětlit všechny pozorované hadrony (jejich hmotnosti a další vlastnosti:
3) Rozptyl elektronů (50. léta) – rozložení náboje a magnetického momentu → hadrony nejsou bodové
4) Hluboce nepružný rozptyl (70. léta) – produkce výtrysků → důkaz existence partonů, které lze spojit s kvarky a gluony (případy s třemi výtrysky prokazují existenci gluonů)
Kvarky nelze z hadronů uvolnit – lze je však pozorovat uvnitř nich
Problémy – komplikovaná struktura silné interakce, interpretace měření je závislá na teorii
Odkud pochází hmotnost částic – může za to Higgs !!!
Generace hmotnosti
Peter Higgs před detektorem CMS
Stav s vyšší energií – symetrie existuje
Vakuum (stav s nižší energií) – symetrie je narušena
Higgsův mechanismus – předpověď existence Higgsovi částice
Yoichiro Nambu
Nobelova cena 2008 !
Nobelova cena …. ?
Proč vzniklo ve vesmíru více hmoty než antihmoty?
Přebytek hmoty nad antihmotou = baryonová asymetrie = poměr mezi počtem baryonů a fotonů reliktového záření (předpoklad: reliktní fotony vznikly při anihilaci) nb/nγ = 10-9.
Důležité zkoumání základních symetrií
P – symetrie → šup za zrcadlo – asymetrie při výletu elektronu během rozpadu beta neutrina jen levotočivá
C – symetrie → zaměnit částice za antičástice – většina asymetrií se kompenzuje
T – symetrie → obrátit tok času
Pochopení zmíněných symetrií a jejich narušení klíčové pro pochopení rozdílu mezi hmotou a antihmotou (Tři podmínky A. Sacharova)
Nutné pro pochopení vzniku našeho světa (hvězd, planet i lidí)
Pozorováno v rozpadu K0 mezonů
Evidence narušení CP symetrie:
Liší se pouze podivností – podivnost se ve slabých interakcích nezachovává → oscilace mezi stavy K0 a anti-K0.
Podle rozpadu dostaneme pro systém K0, anti-K0:
Ještě větší efekt nastane pro B0 a anti-B0 mezony a některé jiné rozpady spojené s B mezony
Složka K0L → π + π + π0 (τ = 5.17∙10-8s, CP = -1)
K0
S → π + π (τ = 0 .89∙10-10s, CP = 1)Slabá příměs rozpadu K0
L → π + π, který nezachovává CP symetrii
Makoto Kobajaši
Tošihide Maskawa
Vysvětlení narušeníNobelova cena 2008
Jak poznáte mimiozemšťana z antihmoty?
Vyřeší jak vznikl přebytek hmoty nad antihmotou?
Experiment LHCb na největším urychlovači čeká na své B mezony
Závěr
• Fyzikové vypracovávají teorie, které nám umožňují předpovídat budoucí děje. Správnost těchto teorií se dá ověřovat jedině experimentem a srovnáním předpovědí s pozorováním.
• Nejběžnějším typem experimentu v jaderné a částicové fyzice jsou srážky
• Pro srážky s vysokou energií potřebujeme urychlovače – stále větší a větší urychlovače
• Měří se stejné nebo podobné fyzikální veličiny, které znáte. Jen je k tomu třeba mít složitější přístroje.
• Vidíme stále větší detaily a produkujeme stále těžší částice.
• Také horkou a hustou hmotu, jaká byla na počátku vesmíru můžeme dostat i v laboratoři pomocí srážek těžkých jader urychlených na rychlosti blízké rychlosti světla.
• Nový urychlovač znamená i objev nových částic a potvrzení teorií.
• Poznání rozdílů mezi hmotou a antihmotou. Proč vůbec můžeme existovat? Letošní Nobelova cena.
• Účast českých fyziků - příležitost i pro studenty VŠ a tedy i pro Vás
Ústav jaderné fyziky AVČR
Nový tandetrom v ÚJF AVČR