Ewolucja wszech wiata
Download
1 / 59

Ewolucja Wszechświata - PowerPoint PPT Presentation


  • 155 Views
  • Uploaded on

Ewolucja Wszechświata. Wykład 4. cząstki elementarne i oddziaływania. atom. jądro. nukleon. 10 -15 m. 10 -10 m. 10 -14 m. kwark. elektron. co jest elementarne?. brak struktury!. elementarność. 1897 – elektron ( J.J.Thomson ) 1905 – foton ( A.Einstein )

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Ewolucja Wszechświata' - mariel


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

Cz stki elementarne i oddzia ywania

cząstki elementarnei oddziaływania


Co jest elementarne

atom

jądro

nukleon

10-15 m

10-10 m

10-14 m

kwark

elektron

co jest elementarne?

brak struktury!


Elementarno
elementarność...

1897 – elektron (J.J.Thomson)

1905 – foton (A.Einstein)

1911 – jądro (E.Rutherford)

1919 – proton (E.Rutherford)

1928 – pozyton (P.A.M.Dirac)

1931 – neutrino (W.Pauli)

1932 – neutron (J.Chadwick)


Elektron
elektron

Thomson (1895) – promienie katodowe elektroliza emisja elektronów

czas życia: stabilnymasa: m = 0.511 MeVładunek: z = -1 barionowy: B = 0leptonowy: L = 1spin: J = ½

moment magnetyczny:

P.A.M.Dirac


Proton

struktura?

proton

Rutherford (1919) – emisja po reakcji  + N

czas życia: stabilnymasa: m = 938.27 MeVładunek: z = 1barionowy: B = 1leptonowy: L = 0spin: J = ½

moment magnetyczny:


Foton
foton

A.Einstein (1905) – efekt fotoelektryczny

czas życia: stabilnymasa: m = 0ładunek: z = 0barionowy: B = 0leptonowy: L = 0spin: J = 1

energia, pęd:


Neutron
neutron

Chadwick (1930)

czas życia:  = 14.8 min, n  p + e + emasa: m = 939.57 MeVładunek: z = 0barionowy: B = 1leptonowy: L = 0spin: J = ½

moment magnetyczny:


Pozyton

  • spin

  • moment magnetyczny

  • oraz energia:

cząstka (elektron)

mc2

0

-mc2

dziura (pozyton)

pozyton

P.A.M.Dirac (1928) – relatywistyczne równanie falowe

Carl Anderson (1932) – odkrycie w komorze mgłowej z polem B


Kreacja pary

pozyton

foton

elektron

kreacja pary

hmin = 2mec2  1.02 MeV



Anihilacja

foton

elektron

pozyton

foton

anihilacja

  • hamowanie

  • pozytonium

  • anihilacja

  • 2 fotony E 0.5 MeV


Neutrino
neutrino

Pauli (1931) – przewidział istnienie na podstawie analizy rozpadu 

czas życia: stabilnymasa: m = 0 ? (< 3·10 –6 MeV)

ładunek: z = 0 barionowy: B = 0leptonowy: L = 1spin: J = ½ moment magnetyczny:  = 0

Reines, Cowan (1957) – odkryli neutrino


Wi cej cz stek
więcej cząstek...

1938 – miony (C.Anderson i S.Neddermeyer – promieniowanie kosmiczne)

  • m 200 me = (105 MeV)

  •  oraz + (antycząstka)

  • są nietrwałe – czas życia:   2.5 10-6 s

rozpady mionów:

1947, fotoemulsja:

  e + +e

+  e+ + e +

1962 – dwa rodzaje neutrin: elektronowe i mionowe:(e, e), (,  )... a potem jeszcze taonowe (,  )


Odkrycie taonu

(energia zderzenia w środku masy = 4 GeV)

e+ + e  + + 

   +  +

+  e+ + e +

odkrycie taonu

SPEAR


Wi cej cz stek1

+



+



e+

e

więcej cząstek...

Powell (1947) – promienie kosmiczne + emulsja jądrowa

Mezony  (piony)

m 150 MeV

+  + + 

+  e+ + e +

(e+ + e   + )

Istnieje  oraz + (antycząstka)


0 w komorze p cherzykowej
0 w komorze pęcherzykowej

 + Xe  0 + ...0   + 

T = 3.5 GeV


Pierwsza fotografia cz stki v o

Ko

π+

π-

pierwsza fotografia cząstki Vo

wtórne kosmiczne,h = 0 komora mgłowaB =0.35 T, (ManchesterUniv.)

G.D.Rochester i C.C.Butler; Nature, 160, 855, (1947)

Mezon K0 – cząstka dziwna

mV = 500600 MeV  = 10-1110-9s


W r d produkt w rozpadu te protony

o

p

π-

wśród produktów rozpadu też: protony

p+ 180 MeV – proton

p- 190 MeV – pion

mV 1130 MeV

Hiperon 0 – cząstka dziwna


Hiperon omega

p

K+

e

e+

e+

o

e

o

Ko

o





p

K

hiperon omega

K + p   + K+ + Kop0 = 5 GeV/c

 o + 

o  o + o

o  p + 

o  2  2 ( e + e+ )

N.Samios, BNL (1964) komora Glasera H2, 80’

Dziwność  = -3


Model standardowy
Model Standardowy

Do chwili obecnej odkryto około dwieście cząstek (z których większość nie jest cząstkami elementarnymi).

  • Model Standardowy– teoria opisująca wszystkie cząstki i oddziaływania między nimi za pomocą:

  • 6 kwarków

  • 6 leptonów

  • cząstek przenoszących oddziaływania

Każdej cząstce odpowiada antycząstka


Kwarki spin i leptony spin
kwarki (spin = ½) i leptony (spin = ½)

PPb 2002

Cząstki z różnych rodzin różnią się zapachem.


Hadrony
Hadrony

Z kwarków zbudowane są hadrony:

  • z trzech kwarków – bariony

  • z kwarku i antykwarku - mezony


Bariony
Bariony

Większość masy hadronu to energia wiązania kwarków.


Masa hadronu

Kupujemy 1 kg jabłek...

(masa protonu  1 GeV)

... a w domu z torby wysypujemy 3 maleńkie jabłuszka – tylko 12 g!

(masa kwarków  0,012 GeV)

Masa hadronu



Leptony
Leptony

Leptony = (e, e), (,  ), (,  ) + antycząstki

są fermionami oddziałujacymi słabo,

Liczba leptonowa:

Cząstki należące do różnych rodzin różnią się zapachem.


Rozpady lepton w
Rozpady leptonów

Elektron i 3 rodzaje neutrin – trwałe

Mion i taon - nietrwałe

Liczby elektronowe, mionowe i taonowe są zawsze zachowane, gdy ciężki lepton rozpada się na mniejsze leptony.

Czy te rozpady są możliwe?

Liczba mionowa niezachowana

Energia niezachowana


Oddzia ywania

czas

Oddziaływania

Wirtualne cząstki przenoszące oddziaływanie

Zasada nieoznaczoności:

1 cząstka wysyła i pochłania cząstki wirtualne

1 cząstka wysyła, a 2 cząstka pochłania cząstki wirtualne


Odzia ywanie elektromagnetyczne
Odziaływanie elektromagnetyczne

  • Działa na ładunki elektryczne

  • Odpowiedzialne za wiązania chemiczne

  • Nośnik – foton ()

  • Zasięg – nieskończony


Odzia ywanie silne
Odziaływanie silne

  • Działa na ładunki kolorowe

  • Odpowiedzialne za wiązanie kwarków w barionach

  • Nośniki – gluony

  • Zasięg – 10-15 m (odległość typowa dla kwarków w nukleonie)


Odziaływanie silne

B

G

R

G

R

B

Kwarki mają ładunek kolorowy

Istnieją tylko cząstki o całkowitym ładunku kolorowym równym zeru.

Uwięzienie kwarków (kolorów)


Oddziaływanie między elektronami maleje wraz z odległością

Oddziaływanie między kwarkami rośnie wraz z odległością


Uwięzienie kwarków odległością

  • Oddziaływanie między kwarkami rośnie wraz z odległością.

  • Próba rozdzielenia kwarków prowadzi do wytworzenia nowej pary kwark-antykwark (jest to proces korzystniejszy energetycznie).

mezon D-

mezon D+

mezon c

Zamiana energii na masę


Oddzia ywanie kolorowe

q odległością

g

q

Oddziaływanie kolorowe

Gluony muszą mieć ładunek kolorowy oraz ładunek antykolorowy, gdyż zmieniają one zawsze dany kolor w antykolor.

Ładunek kolorowy jest zawsze zachowany.

8 gluonów - 8 stanów kolorów – superoktet (SU3)


Oddzia ywanie s abe
Oddziaływanie słabe odległością

  • Odpowiedzialne za rozpad ciężkich kwarków i leptonów na lżejsze kwarki i leptony (zmiana zapachu).

  • Cząstki przenoszące oddziaływanie słabe to bozony: W+, W- i Z0.

Masy W+, W- i Z0 duże (~80 GeV)  Zasięg mały

Oddziaływanie słabe i elektromagnetyczne opisuje jednolita teoria oddziaływań elektrosłabych.


Oddzia ywania elektros abe
Oddziaływania elektrosłabe odległością

Małe odległości (10-18 m)  wielkie energie

Oddziaływania słabe i elektromagnetyczne porównywalne.

Większe odległości (3•10-17 m)

Oddziaływanie słabe jest 10-4 razy mniejsze niż elektromagnetyczne


S aby rozpad

odległością

e

e



e



W

e



Słaby rozpad

W rozpadzie pośredniczy bozon W-


Oddzia ywanie grawitacyjne
Oddziaływanie grawitacyjne odległością

  • Działa na każde ciało

  • Odpowiedzialne za istnienie planet, gwiazd, galaktyk...

  • Nośnik (hipotetyczny) – grawiton?

  • Zasięg – nieskończony

Brak teorii, która wiąże oddziaływanie grawitacyjne z innymi rodzajami oddziaływań – jeden z głównych nierozwiązanych problemów kosmologii.


Oddzia ywania1
Oddziaływania odległością

Literatura:

  • http://chall.ifj.edu.pl/przygodazczastkami/frameless/index.html

  • http://www.wiw.pl/fizyka/boskaczastka/

  • L. Lederman „Boska cząstka”


Jak wytworzyć plazmę kwarkowo-gluonową? odległością

  • Zwiększyć:

  • ciśnienie temperaturę

Takie warunki panowały we Wszechświecie tuż po Wielkim Wybuchu


Plazma kwarkowo-gluonowa odległością

Wczesny Wszechświat

Temperatura, K

Tc=31012 K

Gwiazdyneutronowe

1

10

Względna gęstość materii jądrowej


Zderzenia jąder o wielkich energiach – wytwarza się stan materii o wysokiej temperaturze i ciśnieniu.

czas

Emisja cząstek

Gaz hadronowy

Faza mieszana

Plazma kwarkowo-gluonowa

Stanprzedrównowagowy

przestrzeń


Brookhaven National Laboratory, Long Island (USA) materii o wysokiej temperaturze i ciśnieniu.

Eksperyment rozpoczęty w 2000 roku

RHIC - Relativistic Heavy IonCollider

(Relatywistyczny Zderzacz Ciężkich Jonów)


Akcelerator w tunelu 4 m pod ziemią przyspiesza przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła.

Wiązka odchylana jest w polu magnetycznym wytwarzanym przez nadprzewodzące magnesy umieszczone w ciekłym helu o temperaturze 4,5 K.


RHIC przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła.

  • Energia zderzenia Ecms = 200 GeV

  • Tysiące zderzeń na sekundę

  • Podczas zderzenia wytwarza się temperatura 10 000 razy wyższa niż na Słońcu

W eksperymentach bierze udział ponad 1000 fizyków z całego świata

Grupa naukowców i studentów z Wydziału Fizyki P.W. uczestniczy w eksperymencie STAR


Rejestracja cząstek przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła.

Cztery eksperymenty na zderzaczu RHIC


Rejestracja cząstek przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła.


Ekperyment przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła. STAR

E = mc2

Zamiana energii w masę


W poszukiwaniu plazmy kwarkowo-gluonowej... przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła.

W zderzeniu dwóch jąder ołowiu...

...mogą powstać nowe cząstki zwane J/PSI

http://info.fuw.edu.pl/~ajduk/Public/SCIENCE/qgp.html


W poszukiwaniu plazmy kwarkowo-gluonowej... przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła.

Jeśli w zderzeniu powstanie plazma kwarkowo-gluonowa, to niektóre cząstki J/PSI ulegną zniszczeniu, za to powstaną inne cząstki – kwarki dziwne. Pojawi się też więcej cząstek rozpadających się na pary elektronowe.

Badając, ile i jakich cząstek powstało w zderzeniu, możemy stwierdzić, czy uformowała się plazma kwarkowo-gluonowa i jak ewoluowała.

Niestety, wyniki nie są jednoznaczne...

http://info.fuw.edu.pl/~ajduk/Public/SCIENCE/qgp.html


Proton/deuteron przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła.

nucleus

collision

Nucleus-

nucleus

collision

ośrodek?

brak ośrodka

Medium?

No Medium!

Zderzenie jądro-jądro

Zderzenie protonu lub deuteronu z jądrem

Thomas K Hemmick, Stony Brook University

Quark Matter 2004, Oakland CA


KONIEC poszukiwań plazmy kwarkowo-gluonowej przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła.

The END of searching for the QGP

POCZĄTEK badania jej własności

  • The BEGINNING of measuring its properties

    • 12D Correlations

    • Heavy Quarks

    • Direct Photons

    • Leptons

    • and its relation to CGC

Miklos Gyulassy, Columbia University

Quark Matter 2004, Oakland CA


Sonic boom from quenched jets casalderrey es teaney hep ph 0410067 h stocker

Wake effect or “sonic boom” przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła.

Sonic boom from quenched jets Casalderrey,ES,Teaney, hep-ph/0410067; H.Stocker…

  • the energy deposited by jets into liquid-like strongly coupled QGP must go into conical shock waves

Plazma kwarkowo-gluonowa ma własności podobne do cieczy.

Edward Shuryak

State University of New York

Quark Matter 2005, Budapeszt


Następne przygotowywane eksperymenty: przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła.

LHC (Large Hadron Colider) – 2007r.

Wielki Zderzacz Jonów

CERN Genewa (Szwajcaria/ Francja)


Eksperyment ALICE przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła.


Nowe możliwości badania materii przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła.

RHIC LHC

  • Energia (GeV) 200

  • Liczba rejestrowanych cząstek 850

  • Temperatura (T/Tc) 1,9

  • Gęstość energii (GeV/fm3) 5

  • Czas „życia” plazmy 2 - 4

  • kwarkowo-gluonowej (fm/c)

5500 28 razy

1500-8000 ?

3,0-4,2 goręcej

15-60 gęściej

 10 dłużej

Quark Matter 2004, Oakland CA

Yves Schutz


Eksperyment ALICE przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła.

937 naukowców

77 instytutów

28 krajów

Grupa naukowców i studentów z Wydziału Fizyki P.W.


ad