F29_ czÄ…stki elementarne

CZĄSTKI ELEMENTARNE
cząstki trwałe p, e, γ, νe, νµ
cząstki quasi-trwałe n
cząstki nietrwałe µ, π, K, Σ, ...
τ1/2 є (10−6 − 10−23 ) s
Obecnie znanych jest kilkaset rodzajów cząstek wytwarzanych w
akceleratorach
CERN (Genewa), Fermilab (Chicago), SLAC (Stanford), DESY
(Hamburg)
Kryterium elementarności
• wszystkie cząstki są elementarne
• Ŝadna cząstka nie jest elementarna
cząstki elementarne
1
PODZIAŁ CZĄSTEK
cząstki
BOZONY
s = 0, 1, 2, ...
FERMIONY
s = 1/2, 3/2, ...
nie
oddziałujące silnie
FOTON, Z, W
LEPTONY
oddziałujące silnie
HADRONY
MEZONY
BARIONY
CZĄSTKI I ANTYCZĄSTKI
cząstki elementarne
2
LEPTONY
Rodzina
leptonów
Dublet
elektronowy E
Dublet
mionowy M
Dublet
taonowy T
Liczba
leptonowa
cząstka
Spin
masa
Średni czas Ŝycia
[ħ]
[MeV]
[s]
Le
Lµ
Lτ
e−
+1
0
0
1/2
0,511
∞
νe
+1
0
0
1/2
< 46 ·10-6
∞
µ−
0
+1
0
1/2
105,7
2,2 ·10-6
νµ
0
+1
0
1/2
< 0,25
∞
τ−
0
0
+1
1/2
1777
3,5 ·10-13
ντ
0
0
+1
1/2
< 70
?
W oddziaływaniach muszą być spełnione
Zasady zachowania liczb leptonowych: Le , Lµ , Lτ
µ+ → e+ + νe + νµ
cząstki elementarne
3
NEUTRINA
neutrino elektronowe νe , mionowe νµ i taonowe,ντ
ŹRÓDŁA
rozszczepienie jądrowe n → p + e− + νe
rozszczepienie jądrowe p → n + e+ + νe
wybuchy supernowych wszystkie neutrina
DETEKCJA
p + νe → n + e+
71
Ga + νe → 71Ge + e−
37
Cl + νe → 37Ar + e−
przykłady:
630 ton C2Cl4 (1029 jąder)
1 atom
30 ton Ga w GaCl3 (1029 jąder) 1 atom
cząstki elementarne
37
Ar na dwa dni
71
Ge dziennie
4
HADRONY
mezony B = 0
i
bariony B
≠
0
Mezony, B = 0
mezony
zwykłe
dziwne S ≠ 0
powabne C ≠ 0
cząstki elementarne
cząstka
π+ , π −
π0
η0
K +,
spin
[ħ]
0
0
0
0
masa
MeV
139,57
134,96
548,8
493,67
K0
0
497,7
D+
D0
F+
0
0
0
1869
1865
1971
czas Ŝycia
(średni)
2,6 x 10-8
0,8 x 10-16
0,7 x 10-18
1,2 x 10-8
0,9 x 10-10
5,2 x 10-8
9 x 10-13
5 x 10-13
2 x 10-13
skład
kwarkowy
5
HADRONY
Bariony, B = +1
bariony
cząstka
zwykłe
(nukleony)
p
n
Λ0
Σ+
Σ0
Σ−
Ξ0
Ξ−
Ω−
ΛC+
dziwne S ≠ 0
powabne C ≠ 0
spin
[ħ]
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
3/2
1/2
masa
MeV
938,28
939,57
1115,6
1189,4
1192,5
1197,3
1315
1321,3
1672,5
2281
czas Ŝycia
(średni)
.>1032 lat
898
2,6 x 10-10
0,8 x 10-10
5 x 10-20
1,5 x 10-10
2,9 x 10-10
1,6 x 10-10
0,8 x 10-10
(2-3) x 10-13
skład
kwarkowy
W oddziaływaniach musi być spełniona
Zasada zachowania liczby barionowej B
cząstki elementarne
6
CZĄSTKI DZIWNE
Cząstki takie jak kaon (K) czy sigma (Σ) powstają zawsze
parami. Niektóre oddziaływania dozwolone przez zasady
zachowania ładunku i liczby barionowej nigdy nie zachodzą
π + + p → K ++ Σ +
π + + p → π ++ Σ +
zachodzi
nie zachodzi
Prawo zachowania dziwności:
Dziwność S jest zachowywana w oddziaływaniach silnych
K + ma S = 1 a Σ + ma S = −1
cząstki elementarne
7
CHROMODYNAMIKA KWANTOWA
Chromodynamika Kwantowa to kwantowa teoria pola opisująca oddziaływania
silne.
Bariony moŜna opisać jako zbudowane z trzech kwarków a mezony z dwóch.
Kwarki
B=1/3
ładunek
Dziwność
górny
u
2/3
0
dolny
d
-1/3
0
dziwny
s
-1/3
-1
cząstki elementarne
proton = uud
neutron = udd
Σ−
= dds
8
KWARKI
Kwarki
B=1/3
(zapachy)
Masa
MeV/c2
ładunek
Dziwność
S
Powab
C
górny
u
5
2/3
0
0
dolny
d
10
-1/3
0
0
powabny
c
1 500
2/3
0
1
dziwny
s
200
-1/3
-1
0
wysoki*
t
175 000
2/3
0
0
niski
b
4 300
-1/3
0
0
Kwarki mają liczbę spinową s = ½
KaŜdy kwark ma jeden z 3 kolorów: czerwony, zielony lub niebieski
cząstki elementarne
9
ODDZIAŁYWANIA KWARKÓW
Hipoteza uwięzienia kwarków
Siła oddziaływania między kwarkami rośnie gdy rośnie odległość między
nimi. Rosnąca nieograniczenie siła oddziaływania wiąŜe kwarki w taki
sposób, Ŝe skończone masy mogą mieć tylko białe układy kwarków.
• kwarki oddziałują wymieniając gluony
• gluony podobnie jak fotony nie mają masy
• gluony mają spin s = 1
Hipoteza uwięzienia koloru
W przyrodzie mogą występować tylko obiekty białe, w których
kolorowe kwarki są uwięzione.
cząstki elementarne
10
MODEL STANDARDOWY
chromodynamika kwantowa + oddziaływania elektrosłabe
Cząstki materii:
kwarki :
u
 ,
d 
c
 ,
s
t
 ,
b
q = 2/ 3
q = -1/ 3
leptony :
ν e 
 ,
e
ν µ 
 ,
µ
ν τ 
 ,
τ 
q=0
q = -1
i ich antycząstki
oraz nadal (maj 2008) nie odkryty bozon Higgsa o spinie = 0
cząstki mogą mieć kolory:
czerwony, zielony,
niebieski i leptonowy
cząstki elementarne
razem:
leptony i antyleptony (12)
+ kwarki i antykwarki (36)
+ foton i bozony oddziaływań
słabych (4) + gluony (8)
+ higgson = 61
11
ODDZIAŁYWANIA
Oddziaływanie
Silne
cząstki
Spin Masa
pośredniczące
[ħ] [GeV]
8 gluonów gi
Elektromagnetyczne 1 foton
Słabe
γ
3 bozony
1 grawiton G
kolor
1
0
-
+
1
0
-
-
1
≈ 80,
+
-
-
-
W +, W −, Z 0
grawitacyjne
zapach
≈ 90
2
0
• Kwarki podlegają oddziaływaniom silnym, elektromagnetycznym
i słabym
• Leptony e, µ i τ - elektromagnetycznym i słabym
• neutrina tylko słabym.
cząstki elementarne
12