standardní model elementárních částic a jejich interakcí
DESCRIPTION
Standardní model elementárních částic a jejich interakcí. Cihly a malta, ze kterých je postaven náš svět. aneb. CERN. Jiří Rameš, Fyzikální ústav AV ČR , v. v. i. CERN, 6. – 10. 12. 2010. Hledá odpovědi na otázky jako co jsou základní stavební kameny světa proč drží pohromadě - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/1.jpg)
Standardní model elementárních částic a jejich interakcí
aneb
Cihly a malta, ze kterých je postaven náš světCERN
Jiří Rameš, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.CERN, 6. – 10. 12. 2010
![Page 2: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/2.jpg)
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
![Page 3: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/3.jpg)
•Hmota se skládá z atomů
•Každý atom tvoří atomové jádro a obal z elektronů
•Jádro je složeno z protonů a neutronů
Je to vše ?
![Page 4: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/4.jpg)
Kdyby byl atom veliký jako fotbalové hřiště, bylo by jádro veliké zhruba míček na stolní tenis (a proton ještě desetkrát menší)
![Page 5: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/5.jpg)
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 ….
![Page 6: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/6.jpg)
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 ….
![Page 7: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/7.jpg)
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
![Page 8: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/8.jpg)
Základní síly:
• gravitace
• elektromagnetická síla
• silná jaderná síla
• slabá jaderná síla
V atomové fyzice odpovídá zavlastnosti elektronového obalu, určuje chemické vlastnosti
Drží pohromadě protony a neutronyv jádru, překonává elektrické odpuzování stejně nabitých protonů
Může za radioaktivitu beta, kromě jinéhoza beta rozpad neutronuneutronproton+elektron+neutrino
![Page 9: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/9.jpg)
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).
![Page 10: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/10.jpg)
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?
![Page 11: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/11.jpg)
Nejvíce přibývaly silně interagující částice
Přelom: Podařilo se najít řáda uspořádat je do skupin podleurčitých vlastností
Podobně zkrotil Mendělejev o 90 let dříve chemicképrvky
Projevila se důležitá vlastnost SYMETRIE
Říká se jim HADRONY
![Page 12: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/12.jpg)
TO JSOU VŠECHNY STEJNĚ „ELEMENTÁRNÍ“?
JE SVĚT TAKTO SLOŽITÝ?
![Page 13: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/13.jpg)
Odpověď (a současný pohled na svět subjaderných částic):
NĚKTERÉ ČÁSTICE (JAKO PROTON ČI NEUTRON)
NEJSOU „FUNDAMENTÁLNÍ“
Existuje něco ještě „základnějšího“, a sice
KVARKY
![Page 14: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/14.jpg)
Jak to víme???
Z výsledků experimentů, jejich interpretace a teoretického zobecnění
![Page 15: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/15.jpg)
Základní částice hmoty jsou
•leptony
•kvarky
Částice tvořící jádro (protony, neutrony) a jim podobné se skládají z několika málo typů kvarků.
Nazývají se
HADRONY
![Page 16: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/16.jpg)
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
![Page 17: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/17.jpg)
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
![Page 18: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/18.jpg)
Fundamentální částice hmoty
•všechnu „běžnou“ hmotu okolo nás tvoří částice z první generace
•ke každé částici hmoty existuje antičástice
První generace
![Page 19: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/19.jpg)
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“?
![Page 20: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/20.jpg)
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 !
![Page 21: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/21.jpg)
Jednoduchý proces: interakce elektronu s elektronem
vyměňují si foton
Pozor! Varování! Přirovnáník házení míčem nelze vůbec brát doslova
![Page 22: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/22.jpg)
Interakční vrcholy (v tomto
případě eeγ)
Popsat sílu znamená v mikrosvětě popsat interakci částic hmoty s nosiči síly
![Page 23: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/23.jpg)
S nosiči síly obecně interaguje více druhů částic hmoty (v daném případě elektrony, miony,
kvarky…)
![Page 24: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/24.jpg)
nosič: fotonnáboj: elektromagnetickýpůsobí na všechny částice kromě neutrinkvantová elektrodynamika
Základní síly:
• gravitace
• elektromagnetická síla
• silná jaderná síla
• slabá jaderná síla
nosič: gluonynáboj: barevnýpůsobí na kvarkykvantová chromodynamika
nosiče: částice W a Znáboj: slabýpůsobí na všechny částiceelektroslabá teorie
Částice-nosiče těchto tří základních sil jsou bosony se spinem 1
![Page 25: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/25.jpg)
Jak to víme???
Z výsledků experimentů, jejich interpretace a teoretického zobecnění
![Page 26: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/26.jpg)
Rozpady částic
rozpad mionu
beta rozpad neutronu
![Page 27: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/27.jpg)
Anihilace
![Page 28: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/28.jpg)
Vytváření nových částic ?? Kvarky
nepozorujeme jako volné!
Produkty srážek jsoučástice jako protony,různé mezony… - hadrony
![Page 29: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/29.jpg)
hadronizace
hadrony
hadrony
q
q
Hadrony v koncovémstavu si „pamatují“informace o původních kvarcích
![Page 30: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/30.jpg)
Hadronové jety
![Page 31: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/31.jpg)
![Page 32: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/32.jpg)
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
![Page 33: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/33.jpg)
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
![Page 34: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/34.jpg)
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, … …
![Page 35: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/35.jpg)
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?
![Page 36: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/36.jpg)
Fyzikové umějí na základě teorie spočítat předpovědi pro nejrůznější měřitelné veličiny a srovnat je s experimentem
![Page 37: Standardní model elementárních částic a jejich interakcí](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062518/568147e5550346895db51c4b/html5/thumbnails/37.jpg)
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 Z0 vznikající při srážkách elektronů a pozitronů.