Document 18602

Spotkanie VII
(listopad, 2013)
Pytanie, czym są elementarne składniki materii było stawiane od
samych początków rozwoju myśli ludzkiej. Zajmowali się nimi
fizycy, filozofowie i dziennikarze. Pytanie to było zadawane przez
filozofów greckich. Od tego czasu mamy bowiem pisane przekazy.
Poglądach starożytnych Greków:
Filozofowie jońscy (Tales, Anaksymander, Anaksymenes, Heraklit)
----- cztery żywioły (ziemia,ogień, powietrze, woda),
Atomiści (Demokryt, Leukipos, Epikur) ---- istnieją niepodzielne
atomy,
Platon i jego uczniowie ---- substancje składają się z brył, zwanych
bryłami platońskimi,
Arystoteles ---- substancja to ciągłe tworzywo
Prawie 2000 lat przetrwał pogląd tego najbardziej wpływowego a więc Arystotelesa.
Pierwsze koncepcje składu materii -Żywioły
Ogień
Woda
Powietrze
Ziemia
Empedokles z Akragas (483 - 423 p.n.e.)
Ogień
Suchość
Ziemia
Miłość
Gorąco
Powietrze
Nienawiść
Zimno
Woda
Wilgotność
Korzystam ze slajdów przygotowanych przez Andrzeja Wróblewski w jego
wykładzie „Historia fizyki” http://info.fuw.edu.pl/~akw/historia.html
A.Wróblewski
A.Wróblewski
!   Filozofowie jońscy
Co stanowi substancje Wszechświata –PRATWORZYWO
!   Pitagorejczycy (Pitagoras z Samos ok. 570-497 p.n.e.)
Interesowali się formą i proporcją substancji we Wszechświecie,
Zasady matematyczne są zasadami wszystkich rzeczy,
W środku Wszechświata jest ogień, Ziemia to jedna z gwiazd,
!   Teoria atomistyczna
Istnieją niepodzielne atomy, mają różne kształty, stąd różne własności substancji
!   Bryły Platońskie (Platon 428-347 p.n.e.)
Substancja składa się z brył
!   Teoria Arystotelesa (Arystoteles ze Stagiry 384 – 322 p.n.e.)
Stworzył spójny system wiedzy obejmujący wszystkie aspekty świata ( Fizyka,
O niebie, Meteorologia,Mechanika, Metafizyka, O powstawaniu i ginięciu)
!   Matematyka i Optyka Euklidesa (Euklides ok.. 365 – 300 p.n.e.)
Geometria Euklidesowa – aksjomat równoległości „przez punkt nie
leżący na prostej A przechodzi tylko jedna prosta równoległa do A”.
!   Elementy astronomii (Eratostenes (ok. 276-194 p.n.e.); Posejdonios
(ok. 135-50 p.n.e.); Arystarch z Samos (ok.. 310-240 p.n.e.))
Próby obliczenia obwodu Ziemi,
Odległości do Księżyca i Ziemi,
Średnice Ziemi, Księżyca i Słońca,
Obserwacje jasnych gwiazd.
!   Dzieło Archimedesa (Archimedes (287 – 212 p.n.e.)
Prawo Archimedesa, Prawa dźwigni, Obiekty fizyczne są rzeczywiste.
!   Prace Ptolemeusza (Ptolemeusz ok. 100-178 n.e.)
Układ geocentryczny (Ruch dobowy sfery niebieskiej, tor Słońca, tor Księżyca,zaćmienia,
Teoria ruchu planet), Prawo załamania światła.
A.Wróblewski
A.Wróblewski
Platon 428-347 p.n.e.
czterościan, sześcian,
ośmiościan,
dwunastościan, dwudziestościan
A.Wróblewski
A.Wróblewski
Dzieło Archimedesa
A.Wróblewski
Wydaje się, że korpuskularność materii nie obca była Newtonowi (1643 – 1727). Rozpatrywał w swojej
teorii dynamiki „punkty materialne”. Jawnie mówił o świetle jako zbiorze korpuskuł.
Dalsze poglądy (XVII i XIX wiek) na temat budowy materii były związane z badaniami chemicznymi
( łączenie różnych substancji i tworzenie nowych) i poszukiwaniem wyjaśnienia natury ciepła i spalania.
Pojęcie pierwiastka sprecyzował chemik
angielski Robert Boyle (1627-1692).
Pierwiastki chemiczne łączą się ze sobą w określony związek chemiczny
zawsze w tym samym stosunku wagowym, zatem stosunek mas
pierwiastków tworzących dany związek chemiczny jest wielkością stałą.
Jeżeli dwa pierwiastki chemiczne tworzą więcej niż jeden związek
chemiczny, to ilości wagowe jednego pierwiastka, przypadające na stałą
ilość wagową drugiego pierwiastka, pozostają do siebie w stosunku
niewielkich liczb całkowitych,
np. w tlenkach azotu ( N O, NO, N O , NO , N O )
2
2 3
2
2 5
Masy tlenu przypadające na jednostkę masy azotu pozostają do siebie w
stosunku 1:2:3:4:5.
W tych samych warunkach ciśnienia i temperatury objętości reagujących ze
sobą substancji mają się do siebie jak proste liczby całkowite
np. w reakcji syntezy amoniaku z pierwiastków ( N 2 + 3H 2 → 2 NH 3 ),
stosunek objętości azotu do wodoru wynosi 1:3; podobnie stosunek
objętości powstałego amoniaku do sumy objętości substratów wynosi 12
A.Wróblewski
A.Wróblewski
A.Wróblewski
Dalton jest uważany za twórcę współczesnego
atomizmu. Hipoteza Arystotelesa odchodziła
w niepamięć. Pierwiastki składają się z
atomów. Rosła znana liczba pierwiastków. W
połowie XIX wieku Dimitr Iwanowicz
Medelejew (1934 – 1907) rozmieścił
wszystkie znane pierwiastki i przewidział
istnienie nowych –odkrył prawo okresowości
pierwiastków chemicznych. Powstał UKŁAD
OKRESOWY MENDELEJEWA
Ø Trwałe = Z = 1 - 83
z wyjątkiem Z = 43 (techmet)
oraz Z = 61 (promet)
Jądra Z + N = A
Ø  272 trwałe nuklidy,
Ø  335 naturalne
nietrwałe nuklidy,
Ø  1500 sztuczne nuklidy,
Ø  Z max = 118,
Następny etap w
poznawaniu struktury
materii to odkrycie
elektronów.
Przedstawia to tabela
obok.
NN 1906
A. Wróblewski
Dalsze odkrycia struktury wewnętrznej
!   Ernest Rutherford (1898)----- odkrycie promieniowania α i β;
!   Paul Villard (1900) ----- odkrycie promieniowania γ;
!   Jean Perrin(1901), Kelvin(1902), Philipp Lenard(1903),
J.J.Thomson, H.Nagaoka(1904) ------ pierwsze modele atomu;
NN
1908
NN
1922
!   A.Einstein (1905) ----- sugestia istnienia kwantów
promieniowania elektromagnetycznego,
!   James Chadwick (1911) ----- widmo promieniowania β;
!   E.Rutherford (1911) ----- obserwacja rozpraszania cząstek
α na jądrach złota (α + Au), drugi model atomu;
!   Nils Bohr (1913) ----- hipoteza orbitalnego modelu atomu,
trzeci model atomu;
!   E.Rutherford (1919) ----- obserwacja reakcji jądrowych,
wykrycie protonów (protony to jądra atomów
wodoru), podanie pierwszego modelu jądra (np. dla azotu
N (Z=7, A=14), N= 14 p + 7e);
!   Powstanie Mechaniki kwantowej (dualizm korpuskularnofalowy (1923-1926):
M.Planck (NN 1918),
N.Bohr (NN 1922),
E.Schrödinger (NN 1933),
W.Heisenberg (NN 1932),
P.Dirac (NN 1933),
M.Born (NN 1955),
L.de Broglie (NN 1929),
W.Pauli (NN 1945).
Czwarty model
atomu
!   P.Dirac (1928) ----- sugestia istnienia antymaterii;
!   C.D. Anderson (1932) ----- odkrycie pierwszej
NN 1936
antycząstki, antyelektronu = pozyton;
!   Goudsmit,Uhlenbeck (1925) ----- odkrycie, iż
elektrony posiadają wewnętrzną własność
nazywaną spinem s=1/2;
!   D.Denison (1927) ----- proton też posiada spin s=1/2;
!   F.Rasetti (1929) ----- pokazanie, że jądra azotu
też mają spin s=1;
!   L. Meintner, Orthmann (1929) ---- widmo
elektronów w rozpadzie β jest ciągłe;
•  N. Bohr (1930) ----- hipoteza - możliwe jest, że
w rozpadzie β mamy niezachowanie energii,
pędu i momentu pędu ;
!   W. Pauli (1930) ----- istnieje nowa cząstka,
nazwana małym neutronem a później neutrinem;
!   Irena i Frederic Joliot Curie (1932) ---- w
rozpraszaniu cząstek α na jądrach berylu
zaobserwowali istnienie „ciężkich fotonów”;
!   J. Chadwick (1932) ----- ciężkie fotony to nowe
cząstki nazwane neutronami, elektrycznie
obojętne o masie zbliżonej do masy protonu;
Drugi model
jądra:
N=14 p + 7 e + 7ν
8
Be 4 →
→ 1212C
αα ++ 8 Be
C66 ++""γγ""
4
NN 1935
!   D. Iwanienko (1932) ---- protonowo – neutronowy
N=7p+7n
model jądra;
!   W. Heisenberg (1932) ---- ( skąd biorą się elektrony
n = p + e−
w jądrze?), pierwsza teoria sił jądrowych;
!   E.Fermi (1934) ----- pierwsza teoria oddziaływań n = p + e − +ν
e
słabych;
n ≈ p +π ; p ≈ n +π ;
!   H. Yukawa (1935) ----- podanie teorii sił
p ≈ p +π ; n ≈ n +π
jądrowych;
NN 1949
!   C. Anderson i S. Neddermeyer ----- odkrycie
mezonów „µ” w promieniowaniu kosmicznym i
początkowe mylne potraktowanie ich jako cząstek
Yukawy;
!   C.F. Powell (1947) ----- odkrycie pionów Yukawy; NN 1950
!   R. Hofstadter (1954) ----- rozpraszanie elektronów
NN 1961
na jądrach, zbadanie ich rozmiarów;
−
+
0
0
Lata 50-te pierwsza koncepcja budowy materii;
MATERIA = { ( p, n, e − ) powiązane przez γ}
Problemy, skąd
π − , π + , π 0 , µ ± ,ν e
!   D.A.Glaser (1952) ----- zbudowanie pierwszej komory
pęcherzykowej służącej do detekcji promieniowanie
kosmicznego;
!   Odkrycie wielu nowych cząstek
( K, Λ, Σ, Δ, Ξ, ρ,.....);
!   M. Gell-Mann, K.Nishijinma (1953) ----- odkrycie
dziwności „s”;
NN 1960
!   S. Sakata (1956) ----- model cząstek zbudowanych z p,n, Λ;
!   F. Reines, C. L. Cowen (1956) ----- wykrycie neutrina
elektronowego
!   M. Gell-Mann, Y. Ne’eman (1961) ----- droga ośmiokrotna
–ósemki i dziesiątki cząstek o spinach 0, 1, 1/2 oraz 3/2;
!   L. Ledermann, M. Schwartz, J. Steinberger (1962) ---wykrycie drugiego rodzaju neutrin- neutrin mionowych;
!   M. Gell-Mann, G. Zweig (1964) ---- hipoteza że odkrywane
cząstki składają się z kwarków (asów);
!   O. Greenberg, Y. Nambu, M-Y Han (1964-65) ----- kwarki
obdarzone są dodatkową liczbą kwantową nazwaną
„kolorem”;
!   I. J. Friedman, H. Kandall, R.E. Taylor (1968-70) ----eksperymentalne wykrycie kwarków i hipotetycznych
gluonów;
NN 1995
dla F.R.
NN 1988
NN 1969
dla
M.G-M
u=up,
d=down,
s=strange.
NN 1990
Drugie uproszczenie:
MATERIA = { (u, d, e − ) powiązane fotonami i
gluonami}
Problemy:
( ν, µ, s)
π+
Bariony = składają się z trzech kwarków
Mezony= układy składające się z kwarku i
antykwarku
u
u
proton
d
d
d
u
mezon
π+
d
u
neutron
Jak poznajmy strukturę
materii?
Akceleratory
po co?
rodzaje
zasada działania
p + p,
p + antyproton
e+p
e + pozyton
neutrino + e
neutrino + nukleon
Tylko do 2000 roku
LEP
Mikroskopy
si gamy w g b materii
SLAC
Największe detektory
odbieramy różne sygnały
Kamioka Obserwatory
ICRR Institute for
Cosmic Ray Research
Detektor
Super-Kamiokande
LEP
Korytarz
Detekcja cząstek
Odkrycie cząstki W i Z0
Kosmiczny
Teleskop
Hubble’a
Kosmiczny Teleskop Hubble’a
wyniesiony na orbitę
w 1990roku
i umieszczony na wysokości
480km nad Ziemią
Jest wolny od zakłóceń
przez atmosferę planety.
Teleskopy - liczne okna na Wszechświat
Pierwsze Obserwatorium
należące do ESO
(The European Southern Obserwatory)
położone na górze La Silla (2400m.n.p.m)
na pustyni Atacama.
Cztery europejskie teleskopy
VLT (Very Large Telescope)
umieszczone na szczycie
Cerro Paranal (2640m n.p.m.)
w Chile
Ostatni zamontowano
pod koniec 2000r.
!   B.Richter, S. Ting (1974) ----- wykrycie
czwartego kwarku –powabnego „c”,
! Kobayashii, Maskawa (1973) ----- przewidzieli
istnienie trzeciej generacji kwarków i leptonów,
!   M. Perl (1975) ----- odkrył istnienie trzeciego
leptonu naładowanego „τ”,
!   L. Lederman (1978) ----- odkrył piąty kwark
„b” - piękny
!   W ośrodku Fermilab koło Chicago został
wykryty szósty kwark „t” (1995),
!   W tym samym ośrodku zostało zaobserwowane
trzecie neutrino ν τ (2000),
!   W CERN-ie cztery eksperymenty pracujące przy
akceleratorze LEP pokazały, że istnieją tylko
trzy generacje kwarków i leptonów.
NN - 1976
NN-1995
LHC Detectors
ATLAS
CMS
LHCb
ALICE
ATLAS = A large Toroidal LHC ApparatuS
46
CMS = The Compact Muon Solenoid an Experiment for the Large
Hadron Collider at CERN
47
Sheldon
Glashow
Abdus
Salam
Steven
Weinberg
Nagroda Nobla z Fizyki, 1979
Powstanie
Modelu
Standardowego..
1967
Peter Higgs, one of the 2013 physics Nobel
Laureates, stands in front of the CMS detector
…i ostateczne
potwierdzenie
2012
François
Peter W.
Englert
Higgs
Nagroda Nobla z Fizyki, 2013
Porównanie stanu wiedzy na temat podstawowych
składników materii w dwóch przełomowych okresach.
Od A.Wróblewskiego
Tablica Kwarków i Leptonów
Detektor Alice (LHC)
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.
LHC rozpoczął prac z energią 7-TeV w marcu 2010,
i podwyższył energię do 8 TeV w kwietniu 2012
1 Higgs produkowany na
1010 zderzeń p p
Do tej pory
wyprodukowano
1015 zderzeń p p
Obserwacja głównie
prowadzone w kanałach
W ! " l +# Z ! l + l
Najlepszy kanał, ale
mała statystyka, około
200 przypadków
Prawdopodobieństwa
rozpadu cząstki Higgsa o
masie 125 GeV na różne
kanały
Jety hadronowe,
trudno rozróżnić
Testujemy sprzężenia
c. Higgsa z:
1) kwarkami,
2) leptonami,
3) cząstkami cachowania
54
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 fotino
1 gluino
1 wino, zino
1 grawitino
0 Higgsino
½ skwark
½ slektron
½ smion
½ stau
½ sneutrino
1/2
1/2
1/2
3/2
1/2
0
0
0
0
0
Supersymetrycznip
artnerzy
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
Oddziaływania słabe
Oddziaływania
elektromagnetyczne
Połączenie Teorii Wielkiej Unifikacji (GUT) z grawitacją
TOE (Theory of Everything)
TOE = TEORIA SUPERSTRUN ??
u c t
d
s b
ν e ν µ ντ
e µ τ
The Generations of Matter
SPIN 0
BOSONS
Sleptons Squarks
Leptons
Quarks
SPIN ½
FERMIONS
%t%
u%c
%b%
d%s
ν%
ν%
µ ν%
e
τ
e%µ%τ%
The Generations of Smatter
Większość rysunków w tym opracowaniu zostało
skopiowanych z poniższych witryn internetowych
http://www.interactions.org/linearcollider/
http://perso.club-internet.fr/molaire1/e_plan.html
http://quarknet.fnal.gov/index_tchr.shtml
http://www.przygodazczastkami.org/
http://www.aps.org/units/dpf/quarks_unbound/physq.html
http://education.jlab.org/qa/discover_ele.html
http://particleadventure.org/particleadventure/other/education/index.html
http://wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/
http://education.jlab.org/beamsactivity/
Dziękuję za uwagę
60