Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

1. Úvod 2. Podivné částice – cesta ke studiu narušení 2.1 Objev podivných částic 2.2 Problémy se dvěma stejnými částicemi s různými rozpady 3. P + C +

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "1. Úvod 2. Podivné částice – cesta ke studiu narušení 2.1 Objev podivných částic 2.2 Problémy se dvěma stejnými částicemi s různými rozpady 3. P + C +"— Transkript prezentace:

1 1. Úvod 2. Podivné částice – cesta ke studiu narušení 2.1 Objev podivných částic 2.2 Problémy se dvěma stejnými částicemi s různými rozpady 3. P + C + T symetrie 3.1 Zcadlová symetrie 3.2 Nábojové sdružení - symetrie mezi hmotou a antihmotou 3.3 Kombinovaná CP symetrie a její narušení 4. Popis narušení CP-symetrie v kvarkovém modelu 4.1 Míchání kvarkových stavů 4.2 CKM matice 5. Závěr Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, Řež, E_mail: WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/ Symetrie a jejich narušení ve fyzice elementárních částic (Nobelova cena za fyziku v minulém roce) “Chytří lovci stopují konečnou teorii hledáním známek symetrie. Přírodní zákony jsou všechny vyjádřením symetrie, a veškerá fyzika je v jistém smyslu hledáním symetrie.” T. Ferris: “Zpráva o stavu vesmíru” Jak si s mimozemšťanem sdělit co je levá strana a antihmota

2 Odpověď na otázky: 1) Proč vzniklo ve vesmíru více hmoty než antihmoty? 2) Jak sdělit mimozemské civilizaci, která ruka je levá a že jsem s hmoty a ne antihmoty? Přebytek hmoty nad antihmotou = baryonová asymetrie = poměr mezi počtem baryonů a fotonů reliktového záření (předpoklad: reliktní fotony vznikly při anihilaci) n b /n γ = Proč je důležité zkoumání narušení základních symetrií? P – symetrie → šup za zrcadlo C – symetrie → zaměnit částice za antičástice T – symetrie → obrátit tok času Pochopení zmíněných symetrií a jejich narušení klíčové pro pochopení rozdílu mezi hmotou a antihmotou (Tři podmínky A. Sacharova) Nutné pro pochopení vzniku našeho světa (hvězd, planet i lidí)

3 Nezachování parity – jak sdělit mimozemšťanům jaká je naše levá a pravá strana Zrcadlová symetrie a její narušení Parita P – kvantové číslo popisující symetrii vůči zrcadlovému zobrazení operátor parity změní znaménko u prostorových souřadnic Sudá parita – znaménko vlnové funkce se nezmění P  =+  P = +1 Lichá parita – znaménko vlnové funkce se změní P  = -  P = - 1 P  (r,t)=  (-r,t) Systém s orbitálním úhlovým momentem l má paritu (-1) l Fyzikální procesy probíhají jinak v levotočivé a pravotočivé souřadné soustavě levá a pravá strana se liší obraz v zrcadle je jiný než zobrazovaný jev Transformace skaláru při zrcadlení: nemění se znaménko Transformace pseudovektoru (axiálního vektoru) při zrcadlení: Důležitý vztah mezi hybnostmi (vektor) a momenty hybností (pseudovektor) Transformace pseudoskaláru při zrcadlení: mění se znaménko Transformace vektoru při zrcadlení:

4 Podivné částice a zvláště mezony K Vznik – vysoká pravděpodobnost → silná interakce vždy ve dvojicích Rozpad – dlouhá doba života – slabá interakce Zavedení podivnosti Fotografie prvních zachycených rozpadů podivných částic z kosmického záření mlžnou komorou University v Manchesteru umístěnou v magnetickém poli (1946 a 1947) – G.D. Rochester a C.C. Butler (1947) K0K0 π - π + K μ K 0 → π - + π + K + → μ + + ν μ Zákon zachování nové fyzikální veličiny platící pro silnou a ne slabou interakci ? ! ! Zákon zachování podivnosti se narušuje ve slabých interakcích Zákon zachování podivnosti striktně platí pro silnou a elektromagnetickou interakci I u nich se mění jen o jedničku

5 Historická vsuvka – pravděpodobně úplně první pozorované mezony K 1943 – L. Leprince-Ringuet a M. L’héritier – kosmické záření (francouzské Alpy) mlžná komora, magnetické pole 0,25 T mezon K odražený elektron Kladně nabitá částice s hybností zhruba 500 MeV/c se rozptýlila na elektronu a předala mu hybnost 1 MeV/c Hmotnost částice 500  61 MeV/c 2 Hmotnost mezonu K + 493,68 MeV/c 2

6 Skupina v Bristolské universitě (C. Powell a P. Flower) zkoumala kosmické záření rozpad nové částice na tři mezony π θ + → π + + π 0 τ + → π + + π + + π - Najít řešení problému s částicemi θ + a τ + Částice se stejnou hmotností, dobou života a dalšími vlastnostmi Liší se pouze v rozpadu na systém s různou paritou → 1) dvě částice s různou vnitřní paritu? 2) jedna částice a parita se nezachovává? π (I = 0) jsou pseudoskaláry P(π) = -1 P(2π) = P(π)  P(π) = +1 P(3π) = P(π)  P(π)  P(π) = -1 pro l = 0 pro l obecné: θ + I P =0 +, 1 -, 2 +, … τ + I P = 0 -, 1 +, 1 -, 2 - … rozpad pro τ + neodpovídá energetické spektrum pionů

7 Chen Ning Yang a Tsung-Dao Lee Možnost narušení zrcadlové symetrie Silná a elektromagnetická interakce – zrcadlová symetrie platí Jak v mikrosvětě? Slabá interakce – otázka zůstává otevřená Navržení experimentů pro ověření této možnosti Zkoumání jevů s výsledkem pseudoskalárem (třeba pseudovektor a vektor) Beta rozpad a produkce a rozpad podivných částic

8 Chien-Shiung Wu ( ) Narušení zrcadlové symetrie v rozpadu beta Orientovaná jádra 60 Co - velmi nízké teploty – magnetické pole - uspořádání elektronů v atomu - orientace jader Porovnání výletu elektronu do úhlu θ a (180 o -θ) Výsledek z publikace C.S. Wu

9 Chen Ning Yang (35 let) a Tsung-Dao Lee (31 let) Nobelova cena 1957 červen 1956 leden 1957 Parita ve slabých interakcích se nezachovává θ + a τ - jsou jedna částice K+ mezon

10 Další narušení zrcadlové symetrie Existují pouze levotočivá neutrina (helicita –1) a pravotočivá antineutrina (helicita +1) pouze P transformace → levotočivé neutrino na pravotočivé neutrino Svět lze rozlišit lehce od zrcadlového světa podle Toho zda má levotočivé či pravotočivé neutrino Jak definovat levou a pravou stranu pro mimozemšťana? Lehká neutrální částice, která se pozoruje při rozpadu neutronu je pravotočivá Existuje celá řada dalších narušení zrcadlové zejména v procesech, které jdou čistě slabou interakcí – její efekty nejsou překryty vlivy silné a elektromagnetické interakce, které obě zrcadlovou symetrii striktně zachovávají Stoprocentní narušení zrcadlové symetrie

11 Symetrie vůči transformaci nábojového sdružení – C-symetrie Nábojová parita C – kvantové číslo popisující symetrii operátor parity změní znaménko u prostorových souřadnic Sudá nábojová parita – znaménko vlnové funkce se nezmění C  =+  C = +1 Lichá nábojová parita – znaménko vlnové funkce se změní C  = -  C = - 1 C  (Q)=  (-Q) Záměna znamének nábojů (záměna částic za antičástice a naopak) Šup se světa do antisvěta a naopak Pozor !! charakteristické hodnoty C jsou definovány a stav charakteristický stav operátoru C, Jestliže náboj, barynové číslo, leptonová čísla … jsou nulová Pokud symetrie platí – fyzika je stejná pro svět i antisvět Pokud lze definovat levou a pravou stranu (například se mimozemšťané podívají na stejné galaxie) stačí se zeptat, jestli je neutrální částice vznikající při rozpadu neutrálního baryonu z jader, které je tvoří. V mikrosvětě se narušuje – viz existence pouze pravotočivého antineutrina a levotočivého neutrina Rozpad antijádra 60 Co má opačnou asymetrii v emisi elektronu vůči spinu antijádra

12 Kombinovaná CP symetrie !! Pokud nevíme jestli nejsou mimozemšťané z hmoty, tak jsme zase v háji !! Narušení zrcadlové symetrie se kompenzuje narušením C-symetrie v opačném směru levotočivé neutrino pravotočivé neutrino pravotočivé antineutrino P C zrcadlo do antisvěta reálná situace rozpad beta 60 Co probíhá stejně jako rozpad beta antijádra 60 Co

13 Neutrální mezony K Liší se pouze podivností – podivnost se ve slabých interakcích nezachovává → oscilace mezi stavy K 0 a anti-K 0. Míchání stavů → v rozpadu K L a K S (směs K 0 a anti-K 0 ) Silná interakce → podivnost se zachovává → vidíme stavy K 0 a anti-K 0 Slabá interakce → podivnost se nezachovává → vidíme stavy K L a K S Vznik a rozpad částice K 0 na dva mezony pí zachycený v bublinové komoře. K0K0 silná interakce slabá interakce S = +1 S = -1 S = +1 S = -1 S = +1 S = 0

14 Evidence narušení CP symetrie → Nobelova cena 1980 J. Cronin V. Fitch Pro systém K 0, anti-K 0 pak dostaneme tyto možnosti: Složka K 0 L → π + π + π 0 (τ = 5,17∙10 -8 s, CP = -1) K 0 S → π + π (τ = 0,89∙ s, CP = 1) slabá příměs rozpadu K 0 L → π + π, který nezachovává CP symetrii K  S, = ( K  + anti-K  ) /  2 se sudou CP symetrií: CP K  S = + K  S – K  L, = ( K  - anti-K  ) /  2 s lichou CP symetrií: CP K  L = - K  L K 0 a anti-K 0 – definovaná nenulová podivnost → nedefinovaná hodnota nábojové parity K 0 L, a K 0 S, – nedefinovaná hodnota podivnosti → definovaná hodnota nábojové parity a rozpady, které dodržují CP symetrii: Ovšem v roce 1964 se pozorovala - využití rychlého vymizení K 0 S : svazek částic

15 K  L  π - + e + + ν e K  L  π + + e - + anti-ν e Asymetrie se tak projevuje také v leptonových kanálech rozpadu ε'/ ε = (1,8±0,4)  Nepřímé narušení CP symetrie ε: příměs K 0 S, v mezonu K 0 L Přímé narušení CP symetrie ε': rozpad K 0 L, do kanálu ππ Pozorované částice K 0 L a K 0 S jsou tak směsí původních K 0 L, a K 0 S,: K 0 L → π + + π - (1,976  0,008)  K 0 L → π 0 + π 0 (0,869  0,004)  Takže pozitron a antihmotu lze definovat tak, že je to ten nabitý lepton, který se v rozpadu K 0 L produkuje ve větší míře Narušení CP symetrie + CPT teorém → narušení T symetrie

16 Standardní model Hmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo) Tři druhy interakcí: 1) Silná - kvantová chromodynamika (působí pouze na kvarky a z nich složené hadrony – baryony a mezony) 2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie + antičástice Gravitace stojí mimo standardní model – je velmi slabá a v mikrosvětě se neprojevuje tvoří běžnou hmota za normálních podmínek výměnný charakter interakcí baryony – tři kvarky mezony – kvark a antikvark elektrický náboj barevný náboj

17 Popis narušení kombinované CP symetrie Makoto Kobajaši Tošihide Maskawa Vysvětlení narušení v rámci kvarkového modelu Nobelova cena 2008

18 K + = anti-s, u K- = s, ant-u K 0 = anti-s, d Anti-K 0 = s, anti-d Λ = uds Ještě větší efekt nastane pro B 0 a anti-B 0 mezony a některé jiné rozpady spojené s B mezony Míchání kvarků popsané CKM - maticí Nutnost zavedení více kvarků než v té době známých Kvarková struktura podivných částic Čtyři nezávislé proměnné θ 1, θ 2, θ 3 a δ – nutno určit z experimentu Experiment Belle v laboratoři KEK Předpověď nejméně tří generací kvarků

19 CP asymetrie ze standardního modelu nestačí → hledání fyziky za ním LHCb čeká na své B mezony

20 Spontánní narušení symetrie Generace hmotnosti Peter Higgs před detektorem CMS Stav s vyšší energií – symetrie existuje Vakuum (stav s nižší energií) – symetrie je narušena Higgsův mechanismus – předpověď existence Higgsovi částice Yoichiro Nambu Nobelova cena 2008 ! Nobelova cena …. ? Prvního Higgse už CMS ulovil

21 Závěr 1) Symetrie a jejich narušení jsou fundamentem fyziky 2) U zrodu objevu narušení zrcadlové symetrie ležely mezony K 3) Objev projevů narušení zrcadlové symetrie ve slabých interakcích v rozpadu beta - lze definovat pravou a levou stranu 4) Narušení zrcadlové symetrie je kompenzováno narušením C - symetrie 5) U neutrálních mezonů K 0 pozorujeme narušení kombinované CP symetrie - lze odlišit hmotu od antihmoty 6) Oblast fyziky za níž byla udělena Nobelova cena za fyziku v roce 2008 těsně s tématy řešenými na LHC – hledání higgse, výzkum narušení chirální symetrie - projevy narušení CP symetrie v rozpadech B mezonů


Stáhnout ppt "1. Úvod 2. Podivné částice – cesta ke studiu narušení 2.1 Objev podivných částic 2.2 Problémy se dvěma stejnými částicemi s různými rozpady 3. P + C +"

Podobné prezentace


Reklamy Google