Úvod do subatomové fyziky S použitím přednášky Prof. Jima Wisse Sestavil V. Petráček

Subatomová fyzika Hmotu můžeme klasifikovat následovně: Subatomová fyzika je vědou o podstatě hmoty, její struktůře a interakcích jijích konstituentů Hmotu můžeme klasifikovat následovně: 1. Leptony (elektron, mion, tau,neutrina). Pravděpodobně fundamentální bodové částice mající spin ½, fermiony. Necítí silnou sílu, která váže nukeony v 2. Hadrony (jako proton a neutron). Složené částice sestávající z kvarků se ½ . Interagují silně, slabě a elektromagneticky . Dělíme je na baryony (fermiony) a mezony(bosony). 3. Kalibrační bosony (such as the photon). Tyto částice jsou vyměňovány mezi kvarky a leptony a zprostředkují interakci (silové působení). Většinou se vyskytují též jako volné částice Mají spin 1. Patří mezi ně: nehmotné foton (E&M) a gluony (silná síla) a velice hmotné W a Z bosony (slabá síla). Graviton je nehmotný a má spin patrně 2.

Interakce Budeme hovořit o třech interakcích, které popisuje současný standardní model částicové fyziky (SM): Silná: krátký dosah 10-15m rel. intenzita ~1 • Jaderná vazba a vazba kvarků v hadronech 2. Electromagnetická: (dlouhodosahová ) rel. intenzita ~1/137 3. Slabá: (krátký dosah) rel. intensita ~ 1/10000 • Beta rozpad. Neutrinové interakce Intenzita všech tří interakcí yávisí na škále vzdálenosti interagujících částic a na hybnosti předané při interakci. Při vysokých energiích se intenzity všech tří interakcí blíží a splynou. Je pravděpodobné, že za těchto podmínek jsou všechny interakce (vč. gravitace) stejně silné a můžeme uvažovat o tom, že interakce jak je známe jsou rozrůzněným projevem jedné původní

Kalibrační teorie Všechny tří diskutované interakce lze popsat pomocí Tzv. kalibračních teorií. Teorii elektromagnetické interakce – kvantovou elektrodynamiku vytvořil Robert Feynman

Používané jednotky V subatomové fyzice obvykle používáme soustavu jednotek v níž lze vše co potřebujeme vyjádřit pomocí energie. Většinou též pracujeme s c=1

Tři interakce – přehled

Silná interakce v kvantové chromodynamice QCD Gluony mají schopnost spolu navzájem silně interagovat. To zpusobuje vytvoření trubic barevného elektrického pole (gluonového pole) mezi vázanými kvarky, když se je snažíme od sebe oddělit. Vazební potenciál kvarků způsobuje jejich uvěznění – volné kvarky nejsou pozorovány. Ač jsou gluony nehmotné, je díky jejich vzájemné interakci dosah silné síly omezený

Spektroskopie kvarků Naivní kvarkový model konstruuje hadrony buď z trojic kvarků qqq (baryony) nebo z dvojic (q anti_q) (mezony) Kvarky mají spin ½ a baryonové číslo 1/3 Kvarky mají zlomkový náboj u,c,t 2/3 d,s,b -1/3 U antikvarků je jejich náboj opačný Proto mezony mají baryonové číslo = 0. Jejich náboj závisí na kvarcích obsažených v mezonu +1 (ud) or 0 (uu/dd) or -1 (du) Pro baryony dostáváme baryonové číslo 1 (u antibaryonů -1) a náboj v rozmezí -2..1

Generační struktura standardního modelu částicové fyziky SM Máme tedy 6 kvarků vyskytujících se ve třech generacích s Obdobnými vlastnostmi. C,s,b.t kvarky nesou nová kvantová čísla (která se zachovávají) (půvab, podivnost, pravda a krása) Ke kvarkovým dubletům existují také antidublety obsahující antikvarky. Preferovány jsou slabé rozpady v rámci jedné generace Pro leptony máme rovněž 3 generace dubletů, jejich vlastnosti se však ještě zjišťují – doposud nejsou známy hmoty neutrin. Víme jen, že jsou nenulové a máme určitý rozsah hmot povolený experimentem Hmoty neutrin nemusejí souviset s hmotami jejich partnerů v generaci Dá se ukázat, že 3 generace jsou třeba pro vytvoření narušení CP symetrie ve standardního modelu. Kdyby nebyly 3 generace, nekompenzovaly by se tzv. trojúhelníkové anomálie. Tato struktura je tedy parně důležitá a konečná. Experiment Superkamiokande v Japonsku Studující neutrinové oscilace

Slabé přechody mezi kvarky Jak bylo řečeno slabé rozpady kvarků preferují koncový stav v téže generaci K rozpadům mezigeneračním dochází S mnohem menší pravděpodobností Proto třeba B mezon vydrží před rozpadem Na D mezon po střední dobu c=460m, což umožnuje jeho detekci

Spektroskopie kvarků - mezony Příklad spektra vázaných stavů c-antic páru Existuje celá řada stavů lišících se jak hmotností tak dalšími kvantovými charakteristikami (n,L,P)

Baryony 3/2 Spin Decimet                                                          1/2 spin Octet                                                         

Anti-Baryony 3/2 spin Decimet                                                          1/2 spin Octet                                                         

Mezony 0 spin                                                                   1 spin                                                                           

Baryony & Anti-Baryony obsahující c kvark

Mezony obsahující c a b kvark

Supersymetrické částice Některé teorie předpovídají, že ke každé známé částici existuje její supersymetrický partner, který patří do opačné spinové statistiky (fermion-boson a boson-fermion) a je tím těžší, čím lehčí je jeho známý partner Těmto teoriím se říká supersymetrické Supersymetrické částice budeme již zanedlouho hledat při experimentech na urychlovači LHC v CERN

Výpočty QCD na mříži Vlastnosti silné interakce není snadné prozkoumat Díky její intenzitě je často třeba přistoupit k výpočtu na diskrétní mříži – Lattice QCD. Tak se dá odhadnout chování teorie i v jinak neřešitelných oblastech K takovým výpočtům jsou však třeba veliké výpočetní klastry.