1/2 - Uniwersytet Śląski
Transkrypt
1/2 - Uniwersytet Śląski
Wykład III ODDZIAŁYWANIE POMIĘDZY KWARKAMI I LEPTONAMI „Człowiek zajmujący się nauką nigdy nie zrozumie, dlaczego miałby wierzyć w pewne opinie tylko dlatego, że znajdują się one w jakiejś książce. (...) Nigdy również nie uzna swych własnych wyników za prawdę ostateczną”. A.Einstein w liście do J.Lee,1945 Marek Zrałek Zakład Teorii Pola i Cząstek Elementarnych Instytut Fizyki Uniwersytet Śląski Katowice, 2007 Oddziaływanie pomiędzy kwarkami i leptonami -------popularne przedstawienie Modelu Standardowego Wykłady można znaleźć na stronie internetowej Zakładu Teorii Pola i Cząstek Elementarnych http://server.phys.us.edu.pl/~ztpce/ lub bezpośrednio pod adresem: http://server.phys.us.edu.pl/~ztpce/wyklady/index.html Początkowe poglądy na temat oddziaływań Ugruntowanie poglądów poprzednich- filozofia mechanistyczna Kartezjusza – ciała zawsze oddziałują na siebie w sposób bezpośredni przez pchniecie lub pociągniecie W złagodzonej wersji ciała oddziałują także będąc oddalone od siebie siłami zależnymi od odległości pomiędzy nimi. Na tej podstawie Newton stworzył podstawy mechaniki i grawitacji. Pierwsze oddziaływanie jakie poznano to oddziaływanie grawitacyjne. Newton podał prawo przyciągania dwóch mas. G MZmg G G = − GN 3 r r Oddziaływanie grawitacyjne jest zawsze przyciągające Dlaczego ciała oddziałują grawitacyjnie? Czemu oddziaływanie jest natychmiastowe? Czemu zawsze przyciągające? Wszystkie rysunki w tej prezentacji są skopiowane z http://perso.club-internet.fr/molaire1/e_plan.html Odpowiedź została częściowo udzielona przez Einsteina w Ogólnej Teorii Względności. ---- masy powodują zakrzywienie przestrzeni, ---- małe ciała np. fotony poruszają się w tej zakrzywionej przestrzeni po liniach prostych zwanych liniami geodezyjnymi. BRAK KWANTOWEJ TEORII GRAWITACJI Dalej jednak nie potrafimy odpowiedzieć na dalsze pytania np. na pytanie podstawowe czemu jest związek pomiędzy masami a struktura przestrzeni. W XIX wieku koncepcja mechanistyczna zaczęła zawodzić. Wykryte zostały oddziaływania magnetyczne najpierw Faraday a później Maxwell podali teorie elektromagnetyzmu. Siły nie działają wzdłuż prostej łączącej dwa ciała.Mogą być 1) skierowane w innym kierunku, 2) zależeć od prędkości ciał Faraday wprowadził a Maxwell ugruntował pojęcie POLA ϕ ( xG , t); G G A ( x , t) Siła jaka działa na ciało w danym punkcie w zadanej chwili czasu zależy od pola w tym punkcie w danym czasie. G G G G G G G F ( x , t) = q { E ( x , t) + v × B ( x , t)} Ładunek Natężenie pola elektrycznego Prędkość Wektor indukcji magnetycznej Powstanie Mechaniki Kwantowej dało nowe wyobrażenie o roli cząstek i pól. Do tej pory pojęcie punktu materialnego było związane z cząstką, fala kojarzyła się z polem. Dualizm korpuskularno – falowy połączył te dwa punkty widzenia. W zależności od sposobu obserwacji cząstka raz bardziej przypominała punkt a innym razem falę. W 1820 roku Oersted zademonstrował, że płynący prąd elektryczny w obwodzie wychyla igłę magnetyczną umieszczoną przy nim. Oznacza to, że płynący prąd wytwarza pole magnetyczne. Później Faraday pokazał, że poruszający się magnes wewnątrz cewki wytwarza w niej prąd elektryczny ( na tej zasadzie działa każde dynamo, jest to zjawisko indukcji elektromagnetycznej). Pojawiła się więc symetria pomiędzy elektrycznością i magnetyzmem. Maxwell ujednolicił oddziaływania elektryczne z magnetycznymi. Ujął to pisząc cztery równania łączące pola z występującymi ładunkami i przepływającym prądem. Płynący prąd wytwarza pole magnetyczne. Zmienne pole magnetyczne powoduje przepływ prądu Kwantowa wersja oddziaływań elektromagnetycznych powstała pod koniec lat 20 poprzedniego stulecia, stworzona przez Heisenberga, Diraca, Borna i Jordana. Pole elektromagnetyczne opisane w teorii Maxwella dwoma wektorowymi polami E i B stało się zbiorem cząstek, kwantów pola zwanych FOTONAMI. Oddziaływanie pomiędzy dwoma ładunkami polega na wymianie pomiędzy nimi ogromnej liczby fotonów. elektron elektron wymieniany foton elektron elektron Podstawowa teoria tłumacząca istnienie ATOMÓW Oddziaływanie elektromagnetyczne pomiędzy dwoma elektronami można sobie wyobrazić jako ciągłą wymianę FOTONÓW Oddziaływanie może być przyciągające lub odpychające. Można to sobie wyobrazić odpowiednio jako wymianę bumerangu pomiędzy dwoma osobnikami na łódkach (Rys. 1) lub piłki (Rys. 2). Rys.1 Rys.2 Były jednak problemy z taką teorią – zamknięte pętle dawały nieskończenie wielkie wkłady Zamknięta pętla daje nieskończony wkład Freeman Dyson S. Tomonaga, J. Schwinger, R. Feynman, F. Dyson pokazali w 1947 roku, że można wyeliminować te nieskończoności wprowadzając procedurę renormalizacji. NN - 1965 Elektrodynamika Kwantowa (Quantum ElectroDynamics = QED) jest jedna z najbardziej precyzyjnych teorii stworzonych przez człowieka. Wykorzystując nowy sposób prezentacji oddziaływania pomiędzy atomami można inaczej „spoglądać” na wnętrze atomów. Pomiędzy dodatnio naładowanym jądrem a elektronami są bez przerwy wymieniane fotony. Na rysunku obok jest to przedstawione jako migotające tło w którym ani elektrony ani jądro nie są widoczne. Taki sam mechanizm można zastosować dla wiązań pomiędzy atomami, a dalej dla związków chemicznych, nawet bardzo skomplikowanych. Wydaje się więc, że QED jest podstawową teorią potrzebna do „wyjaśnienia” naszej egzystencji. Następne to oddziaływanie silne Jest ono odpowiedzialne za łączenie protonów i neutronów w jądrach atomowych Ale protony i neutrony zbudowane są z kwarków: Dlatego też, oddziaływanie pomiędzy nukleonami powinno być wyjaśnione przez oddziaływanie kwarków. W latach 70-tych powstała teoria opisująca oddziaływania silne, nazywa się Chromodynamiką Kwantową (Quantum ChromoDynamics = QCD). Opiera się na założeniu, że kwarki występują w trzech różnych stanach, które ze względu na analogię nazywa się KOLOREM Kwarki występują w trzech stanach kolorowych: zielonym, czerwonym i niebieskim Podobnie dla antykwarków, występują one w trzech antykolorach: antyzielonym = karmazynowym, antyczerwonym = cyjanowy, antyniebieski = żółty. Oddziaływanie pomiędzy kwarkami jest przenoszone przez osiem kolorowych GLUONOW Przypomnijmy wiec budowę barionów, antybarionów i mezonów zbudowanych z kolorowych kwarków: RED + GREEN + BLUE = CYAN + MAGENTA + YELLOW = WHITE red quark + green quark + blue quark = neutral baryon red quark + cyan antiquark = meson green quark + magenta antiquark = neutral meson blue quark + yellow antiquark = neutral meson Pomiędzy kwarkami w protonie i neutronie wymieniane są kolorowe gluony. W ten sposób kwarki zmieniają swój kolor, co widać na rysunkach obok. Kwarki przyciągają się tym silniej im dalej znajdują się od siebie (uwięzienie kwarków). Ich oddziaływanie słabnie gdy kwarki zbliżają się do siebie (asymptotyczna swoboda). W ten sposób nigdy nie widzimy swobodnych kwarków. Gdy próbują się oddalić rośnie ich energia oddziaływania. Mogą się więc wykreować nowe kwarki, te zaś łączą się ze starymi dając mezony. W ten sposób każdy hadron może się rozpaść ale tylko na inne hadrony. Siły jądrowe odpowiadające za utrzymywanie związanych jąder, podane w 1935 roku przez Yukawę i polegające na wymianie mezonów p interpretujemy teraz jako wymianę stanów związanych kwark – antykwark. π+ u d W ten sposób neutron, który w próżni żyje średnio około 16 minut, wewnątrz jądra co chwilę przemienia się w proton. Jądra pozostają stabilne. Po wykryciu rozpadu b jąder oraz ciągłego rozkładu energii emitowanego elektronu, postawieniu przez Pauliego hipotezy istnienia neutrin, Fermi w 1934 roku podał pierwszy model oddziaływań słabych Istnieją dwa różne rozpady beta jąder. Pokażemy to na przykładzie jądra BROMU składającego się z 35 protonów i 45 neutronów. Częściej rozpada się jeden z neutronów. Ale może także rozpaść się proton. BROM rozpada się na KRYPTON BROM rozpada się na SELEN Oddziaływanie słabe różni się znacznie od dwóch poprzednich oddziaływań. Jest po pierwsze wiele milionów razy słabsze, a oprócz tego nie spełnia symetrii do których byliśmy bardzo przyzwyczajeni: symetrii odbicia zwierciadlanego P, symetrii zamiany cząstek na antycząstki C, nie jest też symetryczne ze względu na obydwie te symetrie dokonane łącznie CP. Pełną teorię oddziaływań oddziaływań słabych podali w 1967 roku Glashow, Weinberg i Salam [NN 1979]. G.’t Hooft, M.Veltman pokazali w latach 1971 – 1972, że teoria elektrosłaba jest renormalizowalna [NN 1999]. T.D.Lee, C.N.Yang (1956) [NN 1957] Wu (1957) J.W. Cronin V.L.Fitch (1964) [NN dla Fitcha 1980] Teoria przewiduje istnienie trzech bardzo ciężkich bozonów których wymiana, tak jak poprzednio fotonów i gluonów, powoduje oddziaływanie pomiędzy fermionami. Tym razem oddziałują wszystkie fermiony, nawet neutrina. Te cząstki to: . W + , W − oraz Z 0 Cząstka W − powoduje rozpad neutronu. W + przyczynia się do rozpadu protonu Cząstka Z jest elektrycznie obojętna. Nazywana jest czasami ciężkim fotonem. Przy oddziaływani nie zmienia zapachu kwarków. Cząstki W oddziałują także z kwarkami powodując rozpad beta. Trzy oddziaływania silne elektromagnetyczne i słabe są w chwili obecnej opisywane przez teorię nazywaną MODELEM STANDARDOWYM (MS) Model ten unifikuje oddziaływania słabe i elektromagnetyczne. Nawet przyjęła się specjalna nazwa – oddziaływania elektrosłabe. Oddziaływania silne są dołączone, ale nie tworzą nierozerwalnej całości z resztą. MS świetnie zgadza się z doświadczeniem, ze wszystkich jego elementów tylko jeden czeka jeszcze na doświadczalnie odkrycie. Jest to cząstka Higgsa. Pomimo iż MS bardzo dobrze zgadza się z doświadczeniem, nie uważamy go za ostateczna teorię oddziaływań elementarnych. Za odkrycie bozonów Z i W w 1983 roku C. Rubia i S. Van der Merr otrzymali nagrodę Nobla [NN 1983] Porównanie stanu wiedzy na temat podstawowych składników materii w dwóch przełomowych okresach. Od A.Wróblewskiego Tablica Kwarków i Leptonów Pomimo, że mamy w tej chwili zadawalająca teorię opisującą najdrobniejsze składniki materii nie uważamy ja za satysfakcjonującą. Wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. Dlaczego są trzy rodziny? Dlaczego kwarki posiadają trzy kolory? Jak wyjaśnić masy kwarków i leptonów? Dlaczego stałe fizyczne mają takie wartości jakie mają? Dlaczego łamana jest symetria CP? Dlaczego mamy mieszanie pomiędzy kwarkami i leptonami? Problem kwantowej grawitacji, W jaki sposób teoria cząstek wyjaśni powstanie Wszechświata. Panuje przekonanie, że obecny skład podstawowych składników materii ulegnie modyfikacji przy wzroście energii. Będą prowadzone dalej badania eksperymentalne i teoretyczne Ufamy, że nowe informacje przyniesie uruchamiany w 2007roku LHC w CERN-ie. ---- odkrycie cząstki Higgsa, ---- może pojawią się cząstki supersymetryczne, ---- a może teoria przestanie się zgadzać z doświadczeniem, ---- może też ktoś wpadnie na pomysł co dalej, bo ograniczenia eksperymentalne nie pozwalają śledzić obszaru dużych energii, ---- może włączenie teorii kwantowej grawitacji zmieni nasz pogląd na strukturę materii. W chwili obecnej dwie koncepcje teoretyczne są szeroko dyskutowane. W jednej z nich cząstki materii i bozony przenoszące oddziaływania są połączone symetrią zwaną supersymetrią. W innej, cząstki przy bardzo dużej energii (albo w bardzo małej skali) stają się strunami. Bardzo popularną teorią jest teoria z nową symetrią łączącą fermiony z bozonami. Ta nowa symetria nazywa się SUPERSYMETRIĄ. Supersymetria transformuje funkcje falowe zwykłych cząstek w hipotetyczne supercząstki zwane „scząstkami”. Każda scząstka posiada spin różniący się o1/2 od spinu zwykłej cząstki. zwykłe cząstki Bozon foton Bozon gluon Bozon W, Z Bozon grawiton Bozon Higgs Fermion kwarki Fermion elektron Fermion mion Fermion tau Fermion neutrino 1 1 1 1 0 ½ ½ ½ ½ ½ fotino gluino wino, zino grawitino Higgsino skwark slektron smion stau sneutrino 1/2 1/2 1/2 3/2 1/2 0 0 0 0 0 Supersymetryczni partnerzy SPIN 0 BOSONS u c t d ν e s b ν μ ντ e μ τ The Generations of Matter Sleptons Squarks Leptons Quarks SPIN ½ FERMIONS u c t d s b ν e ν μ ντ e μ τ The Generations of Smatter N, D, --- u, d D --- c L, S, ----- u, d, s B --- b X, ------ u(d), s, s T --- t W, ------ s, s, s -- s K K Pentakwarki == 3 karki + 2 antykwarki, glubole W chwili obecnej mamy, rządzące się własnymi prawami trzy oddziaływania ----- ujednolicone oddziaływania elektrosłabe, ----- oddziaływania silne, ----- oddziaływania grawitacyjne. Istnieją próby połączenia oddziaływań elekrosłabych i silnych i stworzenie zunifikowanej teorii oddziaływań elektrosłabo - jądrowych. Od wielu lat chcemy też stworzyć kwantowy opis oddziaływań grawitacyjnych i stworzyć wspólna teorię z grawitacyjno – elektrosłabo - jądrową Hipotetyczna unifikacja oddziaływań elektrosłabych i silnych zachodzi przy energii rzędu 1016 GeV. Unifikacja oddziaływań elektrojądrowych i grawitacyjnych ma miejsce przy jeszcze większej 19 energii, 10 GeV. Ta skala energii nosi nazwę skali PLANCKA. Skale energii w elektronovoltach: jonizacja atomu wodoru ---- 13.6 eV, energia dezintegracji deuteronu --- 2.6 x 10 6 eV, energia „rozbicia protonu ---- 3 x 10 8 eV 12 energie obecnie dostępne w akceleratorach --- 10 eV, 25 unifikacja oddziaływań elektrojądrowych --- 10 eV, skala Plancka -----------------1028 eV. W skali Plancka, co odpowiada skali odległości rzędu 10 −33 cm, teoria superstrun przewiduje, że obiekty elementarne to zamknięte lub otwarte struny. Te otwarte lub zamknięte struny nie są obiektami w naszej 4 wymiarowej przestrzeni. Teoria przewiduje, że struny to obiekty w 10 wymiarowej przestrzeni. Sześć przestrzennych wymiarów jest ukrytych i zawartych w bardzo małych odległościach. Nie są więc one obserwowane. W teorii strun pojawia się dużo nowych cząstek. Każdy sposób drgania struny (moda) odpowiada jednej cząstce. Każda struna ma może drgać na wiele sposobów. Im więcej węzłów ma taka drgająca struna tym bardziej masywna cząstka odpowiada temu drganiu. The Future of Particle Physics: Neutrino Physics Cosmology SUSY Strings