Ve třicátých letech byla představa o hmotě jednoduchá a přehledná. Částicová fyzika Ve třicátých letech byla představa o hmotě jednoduchá a přehledná. Proton Neutron Hmota Zásadní otázka: Co vlastně drží pohromadě atomová jádra? Elektron Záření Foton Gravitace Interakce Pro projekt „Cesta k vědě“ (veda.gymjs.net) vytvořil V. Pospíšil (gdermog@seznam.cz). Modifikace a šíření dokumentu podléhá licenci CC-BY-SA. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Elektromagnetická interakce ???

Částicová fyzika Musí existovat síla, která drží pohromadě jádra. Má následující vlastnosti: Silnější než elektromagnetická Má krátký dosah Působí stejně na protony i neutrony Dosah síly Protony Neutrony

Částicová fyzika Silná interakce krátký dosah na rozdíl od nekonečného dosahu gravitace a elmg. interakce Dosah síly je jako dosah ruky boxera – po určité vzdálenosti její vliv prudce klesá k nule Síla mezi nukleony je dozajista projevem nějakého pole, obdobně jako elektrostatické přitahování a odpuzování je projevem elektromagnetického pole. Existuje-li ovšem foton jako kvantum elektromagnetického pole, jaká kvanta tvoří pole silné interakce?

1934 – Yukawova teorie mezonu Částicová fyzika 1934 – Yukawova teorie mezonu Proton Neutron Jaderná interakce Mezon Elektron Yukawa spočítal, že klidová hmotnost mezonu má být cca 153 MeV (300x hmotnost elektronu). To, že kvantum má nenulovou klidovou hmotnost souvisí s konečným dosahem silné interakce. Pozn.: název „mezon“ znamená „středně hmotný“ Foton Elektromagnetická interakce

Částicová fyzika π 1937 – objev nových částic v kosmickém záření. Jsou však lehčí, než předpovídal Yukawa. 1946 – ukazuje se, že nové částice jsou ve skutečnosti dvě: μ a π μ

Yukawou předpovězená částice Částicová fyzika Yukawou předpovězená částice Proton Neutron Mezon π (pion) Muon (μ) Elektron Foton

Částicová fyzika Diracovo moře Paul Dirac 1923 – P. Dirac předpovídá existenci antičástic Základní rovnice vzešlá ze spojení kvantové mechaniky a speciální teorie relativity má vždy dvě řešení – pro částici s kladnou a se zápornou energií. Diracovo moře Kladná energie E = 0 Záporná energie Všechny stavy se zápornou energií musí být zaplněny – Pauliho vylučovací princip pak zbrání, aby obyčejné elektrony do těchto stavů napadaly.

Objevitelský snímek pozitronu. Částicová fyzika Carl David Anderson (1905-1991) 1932 – objev pozitronu (antičástice elektronu) B Objevitelský snímek pozitronu. Pozitron s vysokou energií vniká do mlžné komory v místě A. Po průchodu 6 mm tlustým olověným plátem ztrácí část své energie. Ze zakřivení trajektorie v magnetickém poli je možné určit náboj i hmotnost částice. A

Částicová fyzika Myšlenka Diracova moře byla rychle opuštěna. Místo toho bylo zjištěno, že druhé řešení relativistické kvantové rovnice náleží jiné částici s kladnou energií, ale opačnými kvantovými vlastnostmi. Každá částice má příslušnou antičástici. Proton Antiproton Neutron Antineutron Elektron Pozitron Foton = Antifoton

Poválečná představa o elementárních částicích Částicová fyzika Poválečná představa o elementárních částicích Proton Antiproton Neutron Antineutron Elektron Pozitron π + π - μ + μ - Foton Anihilace :

Částicová fyzika – objev neutrin p+ n n p+ p+ Beta rozpad Roku 1930 se při studiu β rozpadu došlo k výrazné nesrovnalosti v energetické bilanci reakcí. β rozpad je dvoučásticový, ze z.z. hybnosti a energie plyne, že každá částice musí mít pevně danou energii.

Částicová fyzika – objev neutrin m1 m2 Hybnost před rozpadem p = 0, tudíž i po rozpadu musí být celková hybnost 0.

Částicová fyzika – objev neutrin m1 m2 Hybnost před rozpadem p = 0, tudíž i po rozpadu musí být celková hybnost 0.

Částicová fyzika – objev neutrin m1 m2 Hybnost před rozpadem p = 0, tudíž i po rozpadu musí být celková hybnost 0. Pozn. : nerelativistické přiblížení

Částicová fyzika – objev neutrin Energie při dvoučásticovém rozpadu se rozdělí v obráceném poměru hmotností. Jelikož ale je možné tvrdit, že těžké jádro získá téměř nulovou kinetickou energii, zatímco elektron prakticky všechnu. Protože energie rozpadu je pevně dána, měla by pozorovaná energie elektronů být rovněž pevně dána. Ee- množství částic E Šířka vrcholu je dána přesností měřicích přístrojů.

Částicová fyzika – objev neutrin Ee- množství částic E Toto rozdělení ukazuje, že energie elektronu při β rozpadu je náhodná (do maximální hodnoty E), což je v příkrém rozporu s teoretickým výpočtem Neplatí z. z. energie! Wolfgang Pauli 1900 - 1958 Niels Bohr 1885 - 1962 Existuje lehká neutrální částice, která odnáší zbytek energie.

Částicová fyzika – objev neutrin Enrico Fermi 1901 - 1954 Pauli má pravdu! Je to neutrino! Rozpad neutronu

Částicová fyzika – objev neutrin Cecil Frank Powell (1903-1969) 1947 : Mám nepřímý důkaz! Zvláštní rozpad pionu. μ Mlžná komora π

Částicová fyzika – objev neutrin Existence neutrina byla definitivně potvrzena r. 1956 pozorováním „inverzního β rozpadu“, reakce Vlastnosti neutrina jsou velmi zajímavé : má velmi nízkou klidovou hmotnost (teprve v r. 1998 byl získán první nepřímý důkaz, že má klidovou hmotnost větší než nula) a téměř nepodléhá interakcím s ostatní hmotou: neutrino 50% šance že proletí Olovo Tisíce světelných let Dnes také víme, že neutrin je více druhů (tři různá neutrina a tři příslušná antineutrina).

Částicová fyzika – podivné částice π+ π- 1947 : První pozorování rozpadu těžké neutrální částice, která byla do té doby neznámá. Byla pojmenována „Kaon“ a označena jako KO.

Částicová fyzika – podivné částice V krátké době se vyrojili další a další částice a reakce

Částicová fyzika – podivné částice L+ D- Do K- D+ W- Co je to za džungli !? p- p p+ D++ K0 K+

Částicová fyzika – podivné částice Murray Gell-Mann 1929 - Řád byl do džungle vnesen r. 1961 – vznikla „cesta osmi“ (Eightfold way) coby první pokus o jakousi periodickou tabulku v částicové fyzice. Geometrické obrazce K0 K+ S=1 Náboj S= 0 Π- π0 π+ Q=1 S= -1 K- K0 Podivnost Q=0 Q=-1

Částicová fyzika – podivné částice Murray Gell-Mann 1929 - Σ- Δ- Δ0 Δ+ Δ++ Σ0 Σ+ Ξ- Ξ0 S=0 Q=2 S=-1 Q=1 S=-2 Q=0 S=-3 Zde nebyla žádná známá částice. Gell-Man předpověděl její existenci a spočítal její náboj a hmotnost. Navíc řekl experimentátorům, jakou reakcí ji bude možné vyprodukovat. A v zápětí byla nalezena. Q=-1

Částicová fyzika – kvarkový model u d S=0 Q=-2/3 Q=1/3 S=0 d u Q=2/3 s S=-1 Q=-1/3

Částicová fyzika – kvarkový model James Joyce Three Quarks for Muster Mark

Částicová fyzika – kvarkový model Ostatní obrazce se dají sestavit ze dvou kvarkových trojúhelníků. ddd udd uud uuu S=0 dds uus uds Q=2 S=-1 dss uss S=-2 Q=1 Q=0 S=-3 sss Q=-1

Částicová fyzika – kvarkový model Kvarkový model měl jeden zásadní nedostatek – i přes intenzivní hledání přes 20 let dlouhé nebyly kvarky nikdy pozorovány jako samostatné částice. Navíc, částice typu (uuu), (ddd) či (sss) zjevně porušovaly Pauliho vylučovací princip. Až do roku 1974 nebyl kvarkový model uznáván a v částicové fyzice přetrvávala větší či menší džungle.

Částicová fyzika – kvarkový model ddd udd uud uuu S=0 dds uus Q=2 S=-1 uds dss uss S=-2 Q=1 Q=0 S=-3 sss Nedostatky kvarkového modelu : Nebyly nikdy pozorovány samostatné kvarky Porušoval Pauliho vylučovací princip Q=-1

Částicová fyzika – kvarkový model 1964 - O. Greenberg navrhuje řešení problému s Pauliho vylučovacím principem zavedením nové kvantové vlastnosti kvarků – barvy. Má-li každý kvark v dané částici (uuu, ddd, sss) jinou barvu, nejsou identické a Pauliho vylučovací princip se na něj nevztahuje. u u u d u d d s d s s s

Částicová fyzika – kvarkový model u d Vlastnost „barevnost“ u složených částic nepozorujeme, neboť tři různé barvy či barva a antibarva dá dohromady „bílou“ – bezbarvou částici. Neutron u d Proton u d π- d u π+ Pozn.: kvantová vlastnost „barva“ samozřejmě nemá nic společného s optickými jevy.

Částicová fyzika – objev J/Ψ Zavedení barev kvarků vyřešilo problém s Pauliho vylučovacím principem a zároveň naznačilo, proč nelze pozorovat samostatné kvarky – pokud pozorovatelné objekty (částice) musí být bezbarvé, pak je možné spojovat kvarky po dvou (barva-antibarva) nebo po třech (tři barvy nebo tři antibarvy), ne však čtyřech či po jednom. Nutnost „bezbarvosti“ pozorovatelných částic byla ale spekulace a kvarkový model nebyl podložen experimentálně. Mezi roky 1964 – 1974 se o kvarcích v „lepší fyzikální společnosti“ nemluvilo. Burton Ritcher 1931 - Objev J/Ψ r. 1974, Nobelova cena r. 1976 S. C. C. Ting 1936 -

Částicová fyzika – objev J/Ψ Elektricky neutrální Extrémně těžká (3.1 GeV) Extrémní doba života (10-20 s) Obdobně těžké částice (mezony) mají typickou dobu života 10-23 s, tato částice žije tedy 1000x déle, než srovnatelné částice. To je jako objevit kdesi v Andách vesničku, ve které se lidé dožívají běžně 70000 let. To nemůže být nějaká anomálie, ale známka úplně nových, doposud neznámých biologických jevů. Objev J/Ψ tedy znamenal převrat ve fyzice částic. Tento objev je často označován jako Listopadová revoluce.

Částicová fyzika – objev J/Ψ O vlastnostech J/Ψ se v měsících po jeho objevu hodně diskutovalo, nicméně zcela vyhovující vysvětlení podal kvarkový model: J/Ψ je vázaný stav nového kvarku a antikvarku. Tento kvark byl označen jako půvabný (charm). Vázaný stav cc by dle kvarkového měl mít opravdu tak dlouhý život, jak bylo naměřeno.

Částicová fyzika – kvarkový model Existence nového kvarku (c) impikuje existenci mnoha nových částic: ccc c=3 ccd ccu c=2 ccs cud cdd cuu c=1 cds css cus (ddd) Δ- Δ0 (ddu) Δ+ (duu) Δ++ (uuu) (dds) Σ- Σ+ (uus) c=0 (dss) Ξ- Ξ0 (uss) (sss)

Částicová fyzika – standardní model Současné vědomosti o elementárních částicích shrnuje tzv. Standardní model. Elementární se zde rozumí taková částice, u které nelze pomocí současných experimentálních metod pozorovat vnitřní strukturu. Leptony Rodina Částice Symbol m (MeVc-2) Náboj (e) Anti- částice Elektronová elektron e- 0.511 -1 e+ elektronové neutrino < 0.000003 Mionová mion 105.7 mionové neutrino < 0.19 Tauonová tauon 1777 tauonové neutrino < 18.2

Částicová fyzika – standardní model Současné vědomosti o elementárních částicích shrnuje tzv. Standardní model. Elementární se zde rozumí taková částice, u které nelze pomocí současných experimentálních metod pozorovat vnitřní strukturu. Kvarky Částice Symbol m (MeVc-2) Náboj (e) Anti- částice Horní (Up) u 5 + 2/3 Dolní (Down) d 10 - 1/3 Půvabný (Charm) c 1500 Podivný (Strange) s 200 Pravdivý (Truth) t ≈ 180000 Krásný (Beauty) b 4300

Částicová fyzika – standardní model Jak to všechno drží pohromadě? 4 základní interakce Elektromagnetická Gravitační Silná Slabá Elmg., silnou a slabou interakci lze vysvětlit pomocí výměny určitých druhů částic částic - mediátorů

Částicová fyzika – standardní model Interakce vysvětlena výměnou částic (mediátorů) Kvantová teorie pole Feynmanovy diagramy e- e-

Částicová fyzika – standardní model Elektromagnetická Reaguje na elektrický náboj Nekonečný dosah Odpudivá i přitažlivá Nosičem (mediátorem) je foton

Částicová fyzika – standardní model Silná Reaguje na barvu Krátký dosah Přitažlivá, odpudivá pouze na velmi krátké vzdálenosti Nosičem (mediátorem) je gluon Silná interakce drží pohromadě kvarky v částicích, její zbytková forma pak drží pohromadě atomová jádra.

Částicová fyzika – standardní model Neexistují volné barevné částice – za což může jev uvěznění kvarků. Budeme-li se snažit uvolnit kvark z nitra nukleonu, poroste síla, kterou je v něm vázán. Pokud při „oddalování“ kvarku dodáme dostatečnou energii, vytvoří se pár kvark – antikvark, který se naváže k původním tak, že vzniknou dvě nové bezbarvé částice. Analogii vidíme při natahování pružiny. Pokud pružinu natáhneme moc, praskne a zbudou nám pružiny dvě.

Částicová fyzika – kvarkový model Slabá Reaguje na typ kvarku či leptonu (někdy označováno jako chuť - flavor) Krátký dosah Odpudivá, neexistují stabilní systémy vázané slabou interakcí. Je zodpovědná za některé rozpady částic Nosičy (mediátory) jsou tzv. intermediální bozony

Částicová fyzika – standardní model Mediátor m (GeVc-2) Náboj (e) foton gluon W+ 80.4 +1 W- -1 Zo 91.187 graviton