Standardní model elementárních částic a jejich interakcí aneb Cihly a malta, ze kterých je postaven náš svět  CERN Jiří Rameš, Fyzikální ústav AV ČR,

Prezentace na téma: "Standardní model elementárních částic a jejich interakcí aneb Cihly a malta, ze kterých je postaven náš svět  CERN Jiří Rameš, Fyzikální ústav AV ČR,"— Transkript prezentace:

1 Standardní model elementárních částic a jejich interakcí aneb Cihly a malta, ze kterých je postaven náš svět  CERN Jiří Rameš, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i. CERN, 6. – 10. 12. 2010

2 Jak to zjistit? Studiem srážek částic s částicemi s použitím urychlovačů a zaznamenáním výsledků v detektorech Hledá odpovědi na otázky jako co jsou základní stavební kameny světa proč drží pohromadě jaké zákonitosti pro ně platí

3 Hmota se skládá z atomů Každý atom tvoří atomové jádro a obal z elektronů Jádro je složeno z protonů a neutronů Je to vše ?

4 Kdyby byl atom veliký jako fotbalové hřiště, bylo by jádro veliké zhruba míček na stolní tenis (a proton ještě desetkrát menší)

5 Lákavá představa (která se ve 30. letech 20. století mohla zdát velmi blízko skutečnosti): z několika základních druhů částic (elektron, proton, neutron a nemnoho dalších) by se dal poskládat celý svět – jádra všech chemických prvků – chemické vlastnosti (tj. elektronový obal) – jaderné vlastnosti a radioaktivita ….

6 Lákavá představa (která se ve 30. letech 20. století mohla zdát velmi blízko skutečnosti): z několika základních druhů částic (elektron, proton, neutron a nemnoho dalších) by se dal poskládat celý svět – jádra všech chemických prvků – chemické vlastnosti (tj. elektronový obal) – jaderné vlastnosti a radioaktivita ….

7 Lákavá představa (která se ve 30. letech 20. století mohla zdát velmi blízko skutečnosti): z několika základních druhů částic (elektron, proton, neutron a nemnoho dalších) by se dal poskládat celý svět – jádra všech chemických prvků – chemické vlastnosti (tj. elektronový obal)  – jaderné vlastnosti a radioaktivita  ….  k tomu by bylo třeba umět popsat i síly mezi částicemi - ale i to vypadalo nadějně

8 Základní síly: gravitace elektromagnetická síla silná jaderná síla slabá jaderná síla V atomové fyzice odpovídá za vlastnosti elektronového obalu, určuje chemické vlastnosti Drží pohromadě protony a neutrony v jádru, překonává elektrické odpuzování stejně nabitých protonů Může za radioaktivitu beta, kromě jiného za beta rozpad neutronu neutron  proton+elektron+neutrino

9 Již ve 30. letech se však tento úhledný obraz světa začal hroutit. Způsobily to objevy nových částic, jež nezapadaly do výše naznačeného schématu (byly pozorovány při srážkových experimentech - s částicemi kosmického záření a s postupem času i na urychlovačích).

10 Postupně byl objeven těžší „sourozenec“ elektronu mion, několik těžších partnerů protonu a neutronu (hyperony), a také řada částic nového typu zvaných mezony. ČÁSTIC BYLO ČÍM DÁL VÍC TO JSOU VŠECHNY STEJNĚ „ELEMENTÁRNÍ“? JE SVĚT TAKTO SLOŽITÝ?

11 Nejvíce přibývaly silně interagující částice Přelom: Podařilo se najít řád a uspořádat je do skupin podle určitých vlastností Podobně zkrotil Mendělejev o 90 let dříve chemické prvky Projevila se důležitá vlastnost SYMETRIE Říká se jim HADRONY

12 TO JSOU VŠECHNY STEJNĚ „ELEMENTÁRNÍ“? JE SVĚT TAKTO SLOŽITÝ?

13 Odpověď (a současný pohled na svět subjaderných částic): NĚKTERÉ ČÁSTICE (JAKO PROTON ČI NEUTRON) NEJSOU „FUNDAMENTÁLNÍ“ Existuje něco ještě „základnějšího“, a sice KVARKY

14 Jak to víme??? Z výsledků experimentů, jejich interpretace a teoretického zobecnění

15 Základní částice hmoty jsou leptony kvarky Částice tvořící jádro (protony, neutrony) a jim podobné se skládají z několika málo typů kvarků. Nazývají se HADRONY

16 Fundamentální částice hmoty 3 rodiny/generace každou generaci tvoří dvojice kvarků a dvojice leptonů kvarky se nevyskytují jako volné částice, skládají se z nich hadrony

17 Fundamentální částice hmoty leptony „necítí“ silnou sílu neutrina mají velmi malou hmotnost a 0 elektrický náboj kvarky mají el. náboje -1/3 nebo 2/3 náboje protonu Všechny fundamentální částice hmoty jsou fermiony se spinem 1/2

18 Fundamentální částice hmoty leptony „necítí“ silnou sílu neutrina mají velmi malou hmotnost a 0 elektrický náboj kvarky mají el. náboje -1/3 nebo 2/3 náboje protonu

19 Fundamentální částice hmoty všechnu „běžnou“ hmotu okolo nás tvoří částice z první generace ke každé částici hmoty existuje antičástice První generace

20 Základní „cihly“ hmoty jsou leptony a kvarky. Jak na sebe částice vzájemně působí? Co drží kvarky (a protony s neutrony a atomy) pohromadě? Co funguje jako „malta“?

21 Síly Ve světě částic se síly popisují jako vzájemné působení částic hmoty s jinými částicemi Vedle základních částic hmoty (jako elektrony, protony…) existují částice-nosiče síly interakce ! Důležité a nesamozřejmé !

22 Jednoduchý proces: interakce elektronu s elektronem vyměňují si foton Pozor! Varování! Přirovnání k házení míčem nelze vůbec brát doslova

23 Interakční vrcholy (v tomto případě eeγ ) Popsat sílu znamená v mikrosvětě popsat interakci částic hmoty s nosiči síly

24 S nosiči síly obecně interaguje více druhů částic hmoty (v daném případě elektrony, miony, kvarky…)

25 nosič: foton náboj: elektromagnetický působí na všechny částice kromě neutrin kvantová elektrodynamika Základní síly: gravitace elektromagnetická síla silná jaderná síla slabá jaderná síla nosič: gluony náboj: barevný působí na kvarky kvantová chromodynamika nosiče: částice W a Z náboj: slabý působí na všechny částice elektroslabá teorie Částice-nosiče těchto tří základních sil jsou bosony se spinem 1

26 nosič: foton náboj: elektromagnetický působí na všechny částice kromě neutrin kvantová elektrodynamika Základní síly: gravitace elektromagnetická síla silná jaderná síla slabá jaderná síla nosič: gluony náboj: barevný působí na kvarky kvantová chromodynamika nosiče: částice W a Z náboj: slabý působí na všechny částice elektroslabá teorie

27 Jak to víme??? Z výsledků experimentů, jejich interpretace a teoretického zobecnění

28 Rozpady částic rozpad mionu beta rozpad neutronu

29 Anihilace

30 Vytváření nových částic ?? Kvarky nepozorujeme jako volné! Produkty srážek jsou částice jako protony, různé mezony… - hadrony

31 hadronizace hadrony q q Hadrony v koncovém stavu si „pamatují“ informace o původních kvarcích

32 Hadronové jety

33

34 Teoretický obraz, v němž základní částice hmoty jsou leptony a kvarky (částice se spinem ½) na síly lze pohlížet jako na interakce s nosiči ( se spinem1 ) interakce popisují teorie zvané elektroslabá (nosiče - fotony, částice W a Z) (elektromagnetická a slabá interakce) kvantová chromodynamika (nosiče - gluony) (silná interakce mezi kvarky) dostal jméno STANDARDNÍ MODEL

35 STANDARDNÍ MODEL pomocí malého počtu základních principů, základních stavebních prvků a základních parametrů úspěšně popisuje svět nejmenších částic přes 30 let odolává stále tvrdším experimentálním prověrkám při stále vyšších energiích částic jeho úspěšnost překonala očekávání tvůrců

36 Je STANDARDNÍ MODEL konečná teorie „všeho“ ? Stěží: SM nemá co říci ke gravitaci problém: „malý počet“ základních principů a základních parametrů není dost malý odkud se berou hmotnosti částic? / Higgsova částice

37 Další otevřené problémy: proč jsou právě 3 generace záhada velkých rozdílů v hmotnostech proč není ve vesmíru stejně hmoty jako antihmoty temná hmota a energie ve vesmíru – cca 96% hmoty a energie ve vesmíru je „něco jiného“ - ~26% t. h. a 70% t. e. Nápady teoretiků nevysychají: SUSY částice, struny, vyšší dimenze, mini černé díry, … …

38 Co se možná dovíme? proč mají právě takové hmotnosti, jaké pozorujeme / bude objevena Higgsova částice? proč je víc hmoty než antihmoty? co je temná hmota ve vesmíru? proč je gravitace tak „jiná“? „žijí“ některé částice ve vyšších dimenzích?

39 Standardní model popisuje silné interakce mezi kvarky, v experimentech pozorujeme hadrony. Kvarky nemohou existovat jako samostatné částice. Vlastnosti kvantové chromo- dynamiky jsou takové, že kvarky tvoří pouze barevně neutrální („bílé“) kombinace - což jsou „běžné“ hadrony.

40 Ve prospěch kvarkového obrazu hadronů mluví nejen model konstituentních kvarků, jenž umožňuje klasifikovat částice a předpovídat jejich vlastnosti, ale i srážkové experimenty a dynamika

41 Fyzikové umějí na základě teorie spočítat předpovědi pro nejrůznější měřitelné veličiny a srovnat je s experimentem

42 Příkladem třídy takových veličin jsou rozpadové poměry určité částice na jednotlivé rozpadové kanály V rámci dnešního programu si vyzkoušíte na skutečných experimentálních datech, jak se měří rozpadové poměry částice Z 0 vznikající při srážkách elektronů a pozitronů.

43 Standardní model a experimenty v CERN objev nového typu slabých procesů, které elektroslabá teorie předpověděla (zprostředkovaných částicí Z) (1973) objev nosičů slabých interakcí W a Z (1983) ( Za tento objev získali C. Rubbia a S. Van der Meer v roce 1984 Nobelovu cenu) všestranná prověrka standardního modelu, přesné změření jeho parametrů v experimentech na urychlovači LEP (1989- 2000)

44 Teoretikové mají různé nápady a nabízejí různá řešení Jedině budoucí experimenty napoví, kterým směrem se dát Mohou pochopitelně přinést i něco, co fyzikové vůbec nečekají a co je totálně překvapí

45 Standardní model se při tom neztratí. Ještě dlouho nebude patřit do „starého železa“. Při hledání nové fyziky v příští generaci experimentů budou fyzikové tím úspěšnější, čím lépe budou rozumět pozadí - „obyčejným“ procesům popsaným SM. To, že mu dnes po důkladné prověrce a přesném změření parametrů rozumíme tak, jak rozumíme, bude důležité pro hledání nových jevů.

46 Na standardním modelu je patrně nejpozoruhodnější, že mnohonásobně překonal očekávání, která měli jeho tvůrci v době jeho vzniku. Standardní model ještě dlouho nebude patřit do „starého železa“. Při hledání nové fyziky v příští generaci experimentů budou fyzikové tím úspěšnější, čím lépe budou rozumět pozadí - „obyčejným“ procesům popsaným SM. Jeho důkladná prověrka a přesné změření parametrů jsou důležité pro hledání nových jevů.

47 Standardní model nebude ještě dlouho patřit do „starého železa“. Je pozoruhodné, že mnohonásobně překonal očekávání, která měli jeho tvůrci v době jeho vzniku. Při hledání nové fyziky v příští generaci experimentů budou fyzikové tím úspěšnější, čím lépe budou rozumět pozadí - „obyčejným“ procesům popsaným SM. Jeho důkladná prověrka a přesné změření parametrů jsou důležité pro hledání nových jevů.