Částicová fyzika – kvarkový model

dds

ddd udd uud uuu

udsuus

dss uss

S=0

S=-1

S=-2

S=-3

Q=-1

Q=0

Q=1

Q=2

sss

Nedostatky kvarkového modelu :• Nebyly nikdy pozorovány samostatné kvarky• Porušoval Pauliho vylučovací princip

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

d

s

u

u

u d

d

ds

s

s

Částicová fyzika – kvarkový model

uud

ud d

Vlastnost „barevnost“ u složených částic nepozorujeme, neboť tři různé barvy či barva a antibarva dá dohromady „bílou“ – bezbarvou částici.

Neutron

Proton

ud π-

du 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.

S. C. C. Ting 1936 -

Burton Ritcher 1931 -

J

Objev J/Ψ r. 1974, Nobelova cena r. 1976

Částicová fyzika – objev J/Ψ

J

• 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.

O vlastnostech J/Ψ se v měsících po jeho objevu hodně diskutovalo, nicméně zcela vyhovující vysvětlení podal kvarkový model:

ccJ

Částicová fyzika – objev J/Ψ

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:

(dss) Ξ- Ξ0 (uss)

(sss)

(dds) Σ- Σ+ (uus)

(ddd) Δ- Δ++ (uuu)Δ0 (ddu) Δ+ (duu)

cus

cdd

ccd

ccc

ccu

cuucud

ccs

csscds

c=0

c=1

c=2

c=3ucD0 dcD

Částicová fyzika – standardní model

e

e

Rodina Částice Symbol m(MeVc-2)

Náboj (e)

Anti-částice

Elektronováelektron e- 0.511 -1 e+

elektronové neutrino < 0.000003 0

Mionovámion 105.7 -1

mionové neutrino < 0.19 0

Tauonovátauon 1777 -1

tauonové neutrino < 18.2 0

Leptony

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.

Částicová fyzika – standardní model

Částice Symbol m(MeVc-2)

Náboj (e)

Anti-částice

Horní (Up) u 5 + 2/3 u

Dolní (Down) d 10 - 1/3 d

Půvabný (Charm) c 1500 + 2/3 c

Podivný (Strange) s 200 - 1/3 s

Pravdivý (Truth) t ≈ 180000 + 2/3 t

Krásný (Beauty) b 4300 - 1/3 b

Kvarky

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.

Částicová fyzika – standardní model

Jak to všechno drží pohromadě?

Elektromagnetická

Silná

Slabá

Gravitační

4 základní interakce

Elmg., silnou a slabou interakci lze vysvětlit pomocí výměny určitých druhů částic částic - mediátorů

Částicová fyzika – standardní model

e-

e-

• Interakce vysvětlena výměnou částic (mediátorů)

• Kvantová teorie pole

• Feynmanovy diagramy

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 0 0

gluon 0 0

W+ 80.4 +1

W- 80.4 -1

Zo 91.187 0

graviton 0 0