Kvarky, leptony a Velký třesk Poslední krok na cestě k menším škálám: AtomJádro Nakonec nás to dovede k poznání toho největšího…Vesmíru

Trocha historie kterou jsme zčásti už potkali elektron (1897), proton (1917), neutron (1932) struktura atomu: protony, neutrony v jádře, elektrony v obalu Kvantová mechanika vysvětlila: ● chemické vlastnosti pomocí elektronů ● jaderné vlastnosti (,  rozpad,  záření, štěpení, fúzi,…) pomocí protonů a neutronů A k tomu neutrino (1930) pro  rozpad Dosud dost dobrý popis hmoty, kterou běžně máme kolem nás

Další zdroje hmoty ● Kosmické záření… (1936), π (1947),… …spojení mikrosvěta s astronomií…viz na konci ● Urychlovače…, , ,… -dnešní: Fermilab (Chicago), CERN (Ženeva), SLAC (Stanford), DESY (Hamburg) Detektor v CERN: Postupně objeveny stovky částic. Nejprve zmatek, postupně řád

Trojí hrubé dělení s celé (0, 1, 2,…)…bosony 1. fermiony-bosony podle hodnot spinu s celé (0, 1, 2,…)…bosony s polocelé (1/2, 3/2, 5/2,…)…fermiony Důležitá statistika: fermiony splňují vylučovací princip (viz stavba atomů), bosony ne při dostatečně nízkých teplotách budou všechny bosony v nejnižším stavu Páry 87Rb při teplotě řádu 100nK

2. hadrony-leptony podle druhu interakce: ● gravitační (zanedbatelná v částicové fyzice), elektromagnetická, slabá …působí na všechny částice (el-mag na nabité) ● silná …působí jen na některé…hadrony mezony (bosony) baryony (fermiony) …nepůsobí na jiné…leptony

3. částice-antičástice Dirac (1928): spojení kvantové mechaniky a speciální relativity  elektron by měl mít antičástici pozitron (objeven 1932, Anderson) pak rozšířeno i na další částice Antičástice má stejnou hmotnost a spin, ale opačný náboj a některá kvantová čísla Někdy je částice svojí vlastní antičásticí (např. foton) 1996…několik atomů antivodíku v CERN …snaha pochopit asymetrii hmota-antihmota ve vesmíru

Příklad částicových procesů Skutečné dráhy v bublinkové komoře Analýza Částice a antičástice v procesech

Událost 1 = anihilace přilétajícího antiprotonu s protonem z kapaliny v komoře  vznik 4 pionů a 4 antipionů Zákony zachování: ● Zákon zachování náboje Magnetické pole…zakřivení drah. Znaménko vidět ze směru rotace ● Zákon zachování hybnosti…vše se hýbe směrem doprava před i po události 1 ● Zákon zachování energie Před událostí 1: Po události 1: Takže zbývá minimálně asi 760MeV na kinetickou energii pionů a antipionů

Událost 2 = rozpad pionu…nestabilní částice se střední dobou života  = 2,610-8s Velmi dlouhá doba…čekali bychom (blízko 10-21s pro jaderné reakce z minula) Dlouhá doba života…slabá interakce (viz -rozpad minule) neutrino nenechá stopu Kinetická energie mionu a neutrina je minimálně Zákon zachování momentu hybnosti, pokud jsou spiny mionu a antineutrina orientovány opačně, protože mion a antineutrino mají spin 1/2 a pion má spin 0

Událost 3 = rozpad mionu; mimo obrázek mion také nestabilní;  = 2,210-6s (téměř stokrát delší než pro pion) Opět rozpad slabou interakcí ● Elektron je asi 200 lehčí než mion,  téměř všechna klidová energie mionu na kinetickou energii produktů ● Dvě neutrina kvůli zachování momentu hybnosti (všechny částice mají spin 1/2) ● Navíc neutrina jsou různá…nyní se podíváme podrobněji

Leptony ● Tři rodiny…stejné vlastnosti kromě hmotnosti ● Zákon zachování tří leptonových čísel Le, L, L (a tím i celkového leptonového čísla) Lx je +1 pro částici z rodiny x, -1 pro antičástici z rodiny x, 0 pro jinou částici např. právě uvedený rozpad mionu

Hadrony ● Mnohem víc než leptonů (stovky); už jsme potkali proton, neutron a pion ● Zákon zachování baryonového čísla B B=+1 pro bariony, -1 pro antibariony, jinak 0  Stabilita protonu jakožto nejlehčího baryonu (velmi důležitá pro nás) např. při rozpadu by se (kromě jiného) nezachovávalo baryonové číslo:

Další kvantová čísla hadronů navíc k dosud uvedeným charakteristikám: hmotnost, náboj, spin, leptonové číslo, baryonové číslo např. podivnost (strangeness), Gell-Mann & Nishijima, 1950, kvantové číslo S …některé částice vznikají rychle v párech, ale samy se pomalu rozpadají Např. probíhá rychle neprobíhá skoro nikdy probíhá pomalu Gell-Mann & Nishijima: ● rychlá silná interakce zachová podivnost ● podivnost se nezachová pomalou slabou interakcí Později další kvantová čísla: charm, bottomness, topness

Nejlehčí hadrony Uspořádání „Eightfold way“ Gell-Mann, Ne’eman (1961) Mezony se spinem 0 Baryony se spinem 1/2 Podobně pro spin 3/2: trojúhelník s 10 místy, jedno chybělo…předpověď - (Gell-Mann, 1962), potvrzeno

Kvarky Tvar diagramů ukazuje na vnitřní strukturu hadronů, jako tvar periodické tabulky ukazuje na vnitřní strukturu atomů (Gell-Mann, Zweig, 1964) (vždycky Gell-Mann s někým) ● tři rodiny jako u leptonů…není náhoda ● velký rozsah hmotností…top skoro jako jádro zlata…objeven až 1995 ● hmotnost nukleonů (asi 1GeV) převážně dána kinetickou energií kvarků u,d

Hadrony z kvarků

-rozpad Hlubší pochopení díky kvarkům Postupné zpřesňování: ● První popis s nejasným zavedením neutrina pro zákony zachování: ● Fermiho teorie (1933): ● Na fundamentální úrovni: (viz n = udd, p = uud) Zde už jsou všechny částice bodové (elementární)

Základní síly a zprostředkující částice ● Elektromagnetická síla: klasicky elektromagnetické pole, kvantově fotony (kvantová elektrodynamika) ● Slabá síla: zprostředkovaná částicemi W+,W-, Z podobná elektromagnetické…elektroslabé sjednocení umožňuje Higgsův boson (Weinberg, 1967) ● Silná síla: působí mezi kvarky, „barevný náboj“ R,G,B, zprostředkovaná gluony silná + roste se vzdáleností (na rozdíl od elektroslabé) …neexistují volné barevné náboje, ale jen neutrální objekty 2 možnosti: Možná elektroslabá a silná síla mohou být sjednoceny v GUT (grand unified theory)

Standardní model Vše pohromadě Interakce tenkými čarami

Zbývá gravitace Velmi slabá, ale vždycky přitažlivá …zanedbatelná v mikrosvětě …důležitá na astronomických škálách, kde ostatní síly a kvantové jevy jsou slabé Takhle je tomu teď. Na začátku vesmíru byly tak extrémní hustota a teplota, že gravitace byla srovnatelná s ostatními silami Pořád ještě nacházíme vysoce energetické částice z té doby v kosmickém záření Studium elementárních částic pomůže rané kosmologii…vztah malého a velkého

Rozpínání Vesmíru Galaxie ve vzdálenosti r se od nás vzdaluje rychlostí v podle vztahu Hubble, 1929 Pro představu vzdáleností: ● nejbližší hvězda Proxima Centauri…1,3pc ● Mléčná dráha napříč…34kpc ● nejbližší galaxie v Andromedě…0,78Mpc Pošleme zpátky v čase…smršťování do nuly  Velký třesk před asi 1010 lety

Raná historie Vesmíru 10-43s…formuje se čas a prostor 10-34s…inflace, kvark-gluonové plasma 10-4s…kvarky vytvářejí nukleony 1min…nukleony vytvářejí lehká jádra (do Li) 379 000y …jádra a elektrony vytvářejí atomy; světlo se může volně pohybovat…reliktní záření (Penzias & Wilson, 1965) 1010y…my