Úvod do časticovej fyziky časť 1: častice a interakcie Boris Tomášik Univerzita Mateja Bela, Fakulta prírodných vied ČVUT, Fakulta jaderná a fyzikálně

Prepis

1 Úvod do časticovej fyziky časť 1: častice a interakcie Boris Tomášik Univerzita Mateja Bela, Fakulta prírodných vied ČVUT, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská CERN,

2 (Trochu ambiciózny) Plán kurzu 2

3 (Trochu ambiciózny) Plán kurzu 1. Hmota: kvarky a leptóny (teda fermióny) 2. Interakcie: intermediálne bozóny (fotóny, gluóny, W a Z bozóny) 3. Antihmota 4. Neutrína 5. Higgsov bozón a pôvod hmotnosti (symetrie: kalibračná, chirálna) 2

4 Štruktúra hmoty molekuly atómy jadrá a elektróny protóny a neutróny 3

5 Podivné V 0 častice 1947, G.D. Rochester, C.C. Butler pozorujú vidlicové dráhy v hmlovej komore vystavenej kozmickým lúčom častice K a Λ 4

6 Časticová ZOO obrázok: V 0 častica v zrážke kaónu a protónu časticová ZOO: p, n, π, Σ, Ξ, Δ, η, Φ, Σ *,... Toto nevyzerá elementárne! 5

7 Delenie hadrónov Hadróny sú silno interagujúce častice ťažké častice: baryóny 2000x (a viac) ťažšie ako elektrón p, n, Λ, Σ, Ξ,... ich antičastice sú antibaryóny stredne ťažké častice: mezóny 200x (a viac) ťažšie ako elektrón π, K, ρ, ω, Φ 6

8 Niektoré vlastnosti hadrónov spin - vnútorný moment hybnosti; môže byť 0 (1 stav), 1/2 (2 stavy), 1 (3), 3/2 (4),... baryónové číslo zachováva sa vo všetkých procesoch baryóny (p, n, Λ, Σ, Ξ,...): hodnota 1 antibaryóny (p, n, Λ, Σ, Ξ,...): hodnota -1 mezóny (π, K, η, ρ, ω, Φ,...): hodnota 0 podivnosť zachováva sa v rýchlych (silných) procesoch a nezachováva sa v pomalých procesoch S(p) = 0, S(K + ) = 1, S(Λ) = -1 7

9 Upratovanie: izospin W. Heisenberg: protón a neutrón sú veľmi podobné sú to dva stavy rovnakej častice nukleón - častica s izospinom 1/2 a priemetmi na os z +1/2 a -1/2 Σ 0 Σ + Σ - Ξ - K + Λ n π+ π - π 0 p K 0 K K - 0 Ξ 0 8

10 Upratovanie: izospin W. Heisenberg: protón a neutrón sú veľmi podobné sú to dva stavy rovnakej častice nukleón - častica s izospinom 1/2 a priemetmi na os z +1/2 a -1/2 p n dublet Σ 0 Σ + Σ - Ξ - K + π + Λ π - π 0 K 0 K K - 0 Ξ 0 8

11 Upratovanie: izospin W. Heisenberg: protón a neutrón sú veľmi podobné sú to dva stavy rovnakej častice nukleón - častica s izospinom 1/2 a priemetmi na os z +1/2 a -1/2 p n π + π 0 π - Σ 0 Σ + Σ - Ξ - K + Λ dublet triplet K 0 K K - 0 Ξ 0 8

12 Upratovanie: izospin W. Heisenberg: protón a neutrón sú veľmi podobné sú to dva stavy rovnakej častice nukleón - častica s izospinom 1/2 a priemetmi na os z +1/2 a -1/2 p n π + π 0 π - Λ singlet Σ 0 Σ + Σ - Ξ - K + dublet triplet K 0 K K - 0 Ξ 0 8

13 Upratovanie: izospin W. Heisenberg: protón a neutrón sú veľmi podobné sú to dva stavy rovnakej častice nukleón - častica s izospinom 1/2 a priemetmi na os z +1/2 a -1/2 p n π + π 0 π - Λ singlet K + K 0 K0 K - Σ + Σ - dublet dublet Σ 0 Ξ - dublet triplet Ξ 0 8

14 Upratovanie: izospin W. Heisenberg: protón a neutrón sú veľmi podobné sú to dva stavy rovnakej častice nukleón - častica s izospinom 1/2 a priemetmi na os z +1/2 a -1/2 p n π + π 0 π - Λ singlet K + K0 K - dublet K 0 Σ + dublet Σ 0 Σ - Ξ - dublet triplet triplet Ξ 0 8

15 Upratovanie: izospin W. Heisenberg: protón a neutrón sú veľmi podobné sú to dva stavy rovnakej častice nukleón - častica s izospinom 1/2 a priemetmi na os z +1/2 a -1/2 p n π + π 0 π - Λ singlet K + K0 K - dublet K 0 Σ + dublet Σ 0 Σ - Ξ 0 Ξ - dublet dublet triplet triplet 8

16 Upratovanie: izospin W. Heisenberg: protón a neutrón sú veľmi podobné sú to dva stavy rovnakej častice nukleón - častica s izospinom 1/2 a priemetmi na os z +1/2 a -1/2 p n dublet π + π 0 π - triplet Λ singlet K + K0 K - dublet K 0 Σ + dublet Σ 0 Σ - triplet Ξ 0 Ξ - dublet symetria: silné interakcie nepoznajú rozdiel medzi jednotlivými časticami v multipletoch 8

17 Upratovanie 2: izospin a hypernáboj Hypernáboj Y = B + S π + K + K 0 π 0 K 0 K - π - Y 1 Y I p n Σ + Σ 0 Λ Ξ - Σ - 1 I 3 Ξ

18 Upratovanie 2: izospin a hypernáboj Hypernáboj Y = B + S Y 1 K 0 K + Y 1 π - π 0-1 π + 1 I p n Σ + Σ 0 Λ Ξ - Σ - 1 I 3 Ξ 0 K - -1 K 0-1 9

19 Upratovanie 2: izospin a hypernáboj Hypernáboj Y = B + S Y 1 K 0 K + Y 1 π - π 0 η -1 π + 1 I p n Σ + Σ 0 Λ Ξ - Σ - 1 I 3 Ξ 0 K - -1 K 0-1 9

20 Upratovanie 2: izospin a hypernáboj Hypernáboj Y = B + S Y 1 K 0 K + n Y 1 p π - π 0 η -1 π + 1 I 3 Σ - Λ 0 Σ 0-1 Σ + 1 I 3 K - -1 K 0 Ξ - -1 Ξ 0 9

21 Upratovanie 3: baryóny J = 3/2 Y I

22 Upratovanie 3: baryóny J = 3/2 Y Δ - Δ 0 1 Δ + Δ ++ Σ -* -1 Σ 0* Σ +* 0 1 I 3 Ξ -* -1 Ξ 0* 10

23 Upratovanie 3: baryóny J = 3/ MeV/c 2 Y Δ - Δ 0 1 Δ + Δ MeV/c 2 Σ -* -1 Σ 0* Σ +* 0 1 I MeV/c 2 Ξ -* -1 Ξ 0* 10

24 Upratovanie 3: baryóny J = 3/ MeV/c 2 Y Δ - Δ 0 1 Δ + Δ MeV/c 2 Σ -* -1 Σ 0* Σ +* 0 1 I MeV/c 2 Ξ -* -1 Ξ 0* 1672 MeV/c 2 Ω

25 Hadróny sa skladajú z kvarkov baryóny Kvarky: up, down, strange (charm, bottom, top) spin 1/2, náboj 2/3e, -1/3e antikvarky mezóny 11

26 Ťažšie hadróny, ťažšie kvarky Tri kvarkové rodiny: up charm top down strange bottom ku každému je aj antikvark 12

27 Leptóny (ľahké častice) elektrón elementárna častica žiadna štruktúra bodová častica mión kozmické žiarenie slabo interagujúci, na povrchu 1/cm 2 /min (rozpadá sa) tau leptón (rozpadá sa rýchlo) 13

28 Neutrína Chýbajúca energia v rozpade β: n p + e 14

29 Neutrína Chýbajúca energia v rozpade β: n p + e 14

30 Neutrína Chýbajúca energia v rozpade β: n p + e 14

31 Neutrína Chýbajúca energia v rozpade β: n p + e + ν 14

32 Zhrnutie: častice 15

33 Interakcie: sily medzi časticami Interakcie: vedú k zmene hybnosti, energie, alebo k zmene vlastností častice, alebo k zmene častice 4 základné interkacie: gravitačná elektromagnetická slabá jadrová silná jadrová hybnosť a energia sa menia po kvantách 16

34 Gravitačná interakcia Isaac Newton Albert Einstein Kvantová gravitácia 17

35 Gravitačná interakcia Isaac Newton Albert Einstein Kvantová gravitácia 17

36 Gravitačná interakcia Isaac Newton Albert Einstein? Kvantová gravitácia 17

37 Elektromagnetická interakcia Výmena kvánt energie a hybnosti: fotónov pôsobí na nabité častice 18

38 Silná interakcia najsilnejšia zo všetkých pôsobí na farebné častice rastie so vzdialenosťou výmena gluónov Drží pohromade jadro (zvyšková sila) 19

39 Slabá interakcia Zodpovedná za β-rozpad (zmena častice) ale aj za rozptyl neutrín 20

40 Higgsov bozón 21

41 Higgsov bozón objavený CERNe 21

42 Higgsov bozón objavený CERNe častica zodpovedná za hmotnosť 21

43 Higgsov bozón objavený CERNe častica zodpovedná za hmotnosť častica nezodpovedná za hmotnosť 21

44 Zhrnutie: častice a interakcie Katarína Krišková, Diplomová práca, UMB,