fyzika elementárních částic

Úvod do moderní fyziky
lekce 6 – fyzika elementárních částic
historie
• 30. léta 20. století – zdálo se, že existuje několik málo částic
a že struktura hmoty je blízko úplnému popsání (elektrony,
protony, neutrony)
• později – objevování nových a nových částic (dnes jich je
popsáno několik stovek), většinou nestabilních (doba života
10-6 s až 10-23 s), existenci často možné ověřit pouze
nepřímými metodami, detekce při srážkách mezi protony
(antiprotony) nebo elektrony (pozitrony) na urychlovačích
• mnoho z nově objevených nestabilních částic
pravděpodobně nemá žádnou úlohu při stavbě hmoty –
smysl jejich existence, jejich úloha při vzniku a vývoji
vesmíru?
• větší energie srážek částic a jader – větší detaily (menší
struktury) – produkce těžších částic – vyšší teploty a energie
– „vidíme“ rannější období vesmíru
rozdělení částic
• podle spinu – fermiony (poločíselný spin – e-, p+, n), bosony
(celočíselný - foton), pro bosony neplatí Pauliho vylučovací
princip, mají snahu všechny zaujímat kvantový stav s nejnižší
energií
• podle působících sil – hadrony (působí na ně silná jaderná síla,
bosony – mezony, fermiony – baryony), leptony (nepůsobí)
• částice a antičástice – např. pozitron (1932 – Carl Anderson –
objev pozitronu v kosmickém záření), antičástice má stejnou
hmotnost, dobu života, izospin, ale opačný náboj a
magnetický moment, těžší antičástice vznikají pouze při velmi
vysokých energiích
anihilace částic a antičástic
standardní částicový model
• elementární částice (leptony a kvarky) uspořádány
do třech rodin, kromě toho existují částice, jejichž
výměnou jsou zprostředkovávány síly
příklad analýzy částic- anihilace antiprotonu a
protonu a vznik dalších lehčích částic
stopy – bublinky vytvářené průchodem
nabitých částic v komoře naplněné
tekutým vodíkem, trajektorie zakřiveny
pohybem v magnetickém poli
zákony zachování
• při reakcích částic vždy platí zákon zachování energie,
(spinového) momentu hybnosti, náboje
• dále platí zákon zachování leptonového čísla, zákon
zachování baryonového čísla
leptony
• nemají vnitřní strukturu (podle současných znalostí)
oscilace neutrin – objevena 1998, přeměna neutrin z jedné formy na druhou, vyřešen tzv.
sluneční neutrinový problém (přibližně třetinový naměřený tok neutrin ze Slunce, byl
však detekován pouze jeden druh neutrin)
kvarkový model
• 1964 Murray Gell-Mann, Georg Zweig
(teoreticky předpovězeno pro vysvětlení
vlastností částic)
• 1969 potvrzeno na lineárním urychlovači
SLAC ve Stanfordu, UK, při rozptylových
experimentech s protony
• hadrony jsou složeny z kvarků a antikvarků
(mezony – jeden kvark a antikvark,
baryony – tři kvarky), např. proton z kvarků
u+u+d, neutron z kvarků u+d+d
vůně kvarku (flavour)
vlastnosti kvarků
• kvarky nemohou existovat samostatně (mimo extrémní
podmínky – srážky urychlených částic, první okamžiky vesmíru)
• jediné elementární částice, které podléhají všem známým
základním interakcím
• šest typů (vůní) kvarků, pouze dva nejlehčí z nich (up, down)
jsou stabilní
• vlastnosti vůní: elektrický náboj, hmotnost, spin
• barevný náboj (barva): kladná i záporná (většinou „barvy“
červená, zelená, modrá, antičervená, antizelená, antimodrá)
• hadrony se skládají ze dvou (mezony) nebo tří tzv. valenčních
kvarků (baryony), jiné varianty nebyly pozorovány, jejich
celková barva je nulová (vzniká součtem barvy a antibarvy u
mezonů nebo součtem červená+zelená+modrá u baryonů)
• kromě valenčních kvarků jsou hadrony složeny z gluonů a tzv.
virtuálních párů kvark-antikvark (anihilují v gluony)
barva kvarků
• při pohybu barevného náboje
se může vyzářit gluon
podobně jako se u
elektrického náboje vyzařuje
foton, kvark pak mění barvu
• gluony nesou směs dvou
barev (barvy a antibarvy)
silná interakce
• teorii silné interakce se zabývá kvantová
chromodynamika (QCD), souvisí s barvami kvarků,
barevnou neutralitou hadronů, a s působením
prostřednictvím gluonů
• silná síla navzájem přitahuje nebo odpuzuje kvarky
• residuální (zbytková) silná síla představuje (silnou)
jadernou sílu působící mezi nukleony v jádru atomu
(obdoba van der Waalsovy síly mezi neutrálními atomy
- dipóly)
slabá interakce
• kvark jedné vůně se při slabé interakci přeměňuje na kvark
jiné vůně (vyzářením nebo pohlcením W- nebo W+ bosonu,
ten se vzápětí rozpadá, doba rozpadu 3×10-25 s)
• Z boson zprostředkovávající slabou interakci je spjat s neutrinem, např.
neutrina prostřednictvím tohoto bosonu mohou interagovat s elektrony
(pružný rozptyl neutrin), Z boson se rozpadá na dvojici leptonů, neutrin
nebo kvarků (vždy částici a antičástici), váže slabé neutrální proudy
intermediální (zprostředkující) částice
• čtyři druhy interakcí (elektromagnetická, slabá, silná,
gravitační)
slabá interakce – působí na leptony i hadrony, zodpovídá za relativně pomalé
rozpady částic (beta rozpad neutronu, rozpad mionu), interakce krátkého
dosahu do 10-17 m
silná interakce – síla spojující kvarky v mezony a baryony, udržuje pohromadě
atomové jádro, dosah do rozměru atomového jádra 10-15 m
W, Z - bosony
Higgsovy částice – jsou důsledkem nenulové hmotnosti intermediálních částic slabé a
silné interakce a jejich konečného dosahu, vysoce nestabilní s velmi krátkou dobou života
10-22 s, potvrzení standardní částicové teorie, ověřeno na LHC v roce 2013
hmotnost
• kvarky mají relativně malou hmotnost v porovnání s
částicemi, které vytvářejí (např. proton 938 MeV/c2,
jednotlivé kvarky v součtu méně než 20 MeV/c2)
• většina celkové hmotnosti hadronů je soustředěna do tzv.
kvantověchromodynamické vazebné energie
• elementární částice nabývají hmotnosti pomocí Higgsova
mechanismu (spojeno s Higgsovým polem se kterým
bodové částice interagují – ty hmotnější více, nehmotné
vůbec -, narušením symetrie projevujícím se existencí
Higgsova bosonu) – viz PhD comics
• hmotnost (intermediálních) částic lze interpretovat
pomocí Heisenbergova principu neurčitosti – hmotnost
reprezentuje energii a čas pak dosah interakce podělený
rychlostí světla – součin nemůže být menší než h/4π
kvark-gluonové plazma
• za extrémně vysokých teplot a hustot jsou nukleony
roztaveny na své konstituenty – kvarky a gluony
• v tomto stavu byla látka asi po dobu 10 ms po vzniku
vesmíru a lze ho vytvořit na současných urychlovačích
částic
• nukleonové plazma – látka je směsicí elektronů,
protonů a neutronů (vytvoří se po sloučení kvarků)
Cesta za standardní model
Supersymetrické teorie
Budovány na základě pozorovaných symetrií mezi kvarky a leptony
Předpovídají ke každé známé částici partnera (tzv. supersymetrickou částici). Nejlehčí z nich
(nebo jejich kombince – smíšený stav) by měla tvořit temnou hmotu ve vesmíru. Ta tvoří 21 %
hmoty vesmíru („normální“ hmota – baryonová – jen 4 %)
„Přímé“ důkazy o existenci temné hmoty se v současnosti
dostávají při vzájemné interakcích galaxií a kup galaxií
Pokud se supersymetrické částice nenajdou:
1) Jsou těžší (vyloučí to řadu upersymetrických teorií)
2) Nejsou – neplatí supersymetrické částice, platí
technicolor – hledání jim předvídaných částic
Cesta k pochopení inflačního stadia našeho vesmíru,
pokud souvisí s oddělením slabé nebo silné interakce
Strunové a nejen strunové teorie
Finální teorie – snaží se o zahrnutí i gravitace
Matematicky velmi náročné – zatím se umí spočítat předpovědi jen pro extrémně
vysoké energie nebo pro oblasti pokryté standardním modelem
Většinou zavádějí další rozměry (strunové teorie celkově 11 rozměrů)
Momentálně trochu krize – nejsou předpovědi pro experimentální pozorování –
potřebný impuls od experimentu
Pozorování nezachování energie (únik energie někam
„pryč“)
Cesta k pochopení inflačního stadia našeho vesmíru,
pokud je spojeno s vydělením gravitační interakce
Jediná cesta k pochopení těch nejrannějších stadií <10-35
Různé bránové kosmologické modely
Představa strunové teorie v
představách malíře