Download - Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic
![Page 1: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/1.jpg)
“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
![Page 2: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/2.jpg)
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
![Page 3: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/3.jpg)
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
![Page 4: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/4.jpg)
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
![Page 5: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/5.jpg)
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
![Page 6: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/6.jpg)
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
![Page 7: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/7.jpg)
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
![Page 8: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/8.jpg)
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 !!!
![Page 9: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/9.jpg)
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)
![Page 10: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/10.jpg)
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
![Page 11: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/11.jpg)
V současnosti se dokončil největší urychlovač na světě
![Page 12: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/12.jpg)
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
![Page 13: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/13.jpg)
LHCb
CMSALICE
ATLAS
![Page 14: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/14.jpg)
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
![Page 15: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/15.jpg)
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
![Page 16: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/16.jpg)
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)
![Page 17: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/17.jpg)
Jeden z posledních snímků ALICE před letošním uzavřením jeskyně
(nejmladší „fyzik“ na obrázku pochází z české ALICE komunity)
!!! Velký experiment – potřeba hodně lidí !!!
![Page 18: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/18.jpg)
Účast našich studentů na instalaci křemíkových driftových detektorů a jejich elektroniky
Čekání na ALICI – čekají i čeští fyzikové
![Page 19: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/19.jpg)
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
![Page 20: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/20.jpg)
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
![Page 21: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/21.jpg)
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 …. ?
![Page 22: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/22.jpg)
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)
![Page 23: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/23.jpg)
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?
![Page 24: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/24.jpg)
Vyřeší jak vznikl přebytek hmoty nad antihmotou?
Experiment LHCb na největším urychlovači čeká na své B mezony
![Page 25: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/25.jpg)
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
![Page 26: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/26.jpg)
Ústav jaderné fyziky AVČR
![Page 27: Cesta do Mikrosvěta - Gymnaziumtrebic](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061305/54999cd0b47959dd778b480b/html5/thumbnails/27.jpg)
Nový tandetrom v ÚJF AVČR