Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Χ. Πετρίδου. Μάθημα 4: Σκέδαση αδρονίων και O Xρυσός Kανόνας του Fermi

Transcript

1 Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Χ. Πετρίδου Μάθημα 4: Σκέδαση αδρονίων και O Xρυσός Kανόνας του Fermi Στοιχειώδη ΙΙ, Αριστοτέλειο Παν. Θ/νίκης, 20 Μαρτίου 2014

2 Σκέδαση, ενεργός διατομή Χρυσός κανόνας του Fermi Phase-space = xώρος των φάσεων 2

3 Μετρήσιμες ποσότητες Πριν ακόμη την ανάπτυξη του προτύπου των κουάρκ έχουμε την περιγραφή των αλληλεπιδράσεων αδρονίου-αδρονίου -η θεωρία του Πίνακα Σκέδασης S- Οι συγκρούσεις αδρονίου-αδρονίου περιγράφονται σα συνάρτηση των Πλατών και Φάσεων Υλικών κυμάτων Παρατηρώντας τη φύση για να καταλάβουμε ποιά είναι τα στοιχειώδη σωμάτια και πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, έχουμε τα εξής πειραματικά εργαλεία (μετρήσεις): Pacticle scattering (σκέδαση σωματιδίων) Particle decays (π.χ., π - μ - ν μ ) Bound states of particles: δέσμιες καταστάσεις, π.χ., άτομο, μεσόνιο J/ψ (=c c) Οι συγκρούσεις αδρονίων είναι αλληλεπιδράσεις πολλών συστατικών πρόβλημα πολλών σωμάτων 3

4 4

5 Σκέδαση ενεργός διατομή α b σ=κάτι σαν την επιφάνεια που παρουσίαζει το σωματίδιο b στο επερχόμενο σωματίδιο α Αλλά δεν είναι το ίδιο! Δεν έχουμε hit or miss στην αλληλεπίδραση σωματιδίων 5

6 Σκέδαση, ενεργός διατομή, Ρυθμός Διάσπασης Ισύει και για δέσμες σωματιδίων 6

7 Σκέδαση, ενεργός διατομή, Ρυθμός Διάσπασης 7

8 Ενεργός διατομή: επί μέρους και ολική Η ενεργός διατομή δεν είναι γεωμετρικός παράγοντας Εξαρτάται από τα σωματίδια που αλληλεπιδρούν π.χ. σ(π+p) > σ(e+p) > σ(ν+p) Εξαρτάται επίσης και από τα παραγόμενα σωματίδια Mπορούμε να ορίσουμε τις επί μέρους ενεργές διατομές = exclusive cross section ) = σ i π.χ., σ(pp W), σ(pp Z) ολική ενεργός διατομή = inclusive cross section = σ t o t = Σ σ i 8

9 Ενεργός διατομή: συνάρτηση πολλών παραγόντων Η ενεργός διατομή δεν είναι γεωμετρικός παράγοντας Εξαρτάται από τα σωματίδια που αλληλεπιδρούν π.χ. σ(π+p) > σ(e+p) > σ(ν+p) Εξαρτάται επίσης και από τα παραγόμενα σωματίδια Επίσης, πού πάνε (γωνίες) και γενικά με τι 4-ορμή παράγονται τα σωματίδια αυτά Κάθε δυνατή τελική κατάσταση έχει μια πιθανότητα να συμβεί σ = συνάρτηση πολλών παραγόντων (θ, φ, p, m...) 9

10 10

11 Χρυσός κανόνας του Fermi M i f = <f H I N T i> = πλάτος της διαδικασίας ή martrix element...ρ f = phase-space factor = παράγοντας του χώρου των φάσεων 11

12 Χώρος φάσεων Ίσα που γίνεται: Με τίποτα! 12

13 Χωρος φάσεων στη μη σχετικιστική QM Χώρος φάσεων: χώρος ορμών και θέσεων των σωματιδίων Κάθε σωματίδιο στο χώρο των φάσεων καταλαμβάνει όγκο h 3 Eρώτηση: πόσα σωματίδια σε αυθαίρετο όγκο V έχουν ορμή με μέτρο μεταξύ p και p + dp και βρίσκονται σε μια στερεά γωνία dω??? Απάντηση: dn = (V/h 3 ) * d 3 p, d 3 p= p 2 d p sinθ dθ dφ dn = p 2 d p dω * V/ h 3 dn = V p 2 dp dω/ h 3 dn = dω p 2 dp / h 3 αριθμ. τέτοιων σωματιδίων σε V=1 Εφραγμογή στη σέδαση a + b c + d ρ f = dn/de o Πυκνότητα σωματιδίων στην τελική κατάσταση. ( Εο = ενέργεια στο κέντρο μάζας ) 13

14 Χωρος φάσεων στη μη σχετικιστική QM Χώρος φάσεων: χώρος ορμών και θέσεων των σωματιδίων Κάθε σωματίδιο στο χώρο των φάσεων καταλαμβάνει όγκο h 3 a) H κυματοσυνάρτηση του σωματιδίου περιορίζεται σε κουτί πλευράς α (h) (satisfies periodic boundary conditions - ακέραιο μήκος κύματος σε x, y, z) (ψ(x+α,y,z)=ψ(x,y,z) b) Οι επιτρεπτές καταστάσεις στο χώρο των ορμών (Από την περιοδικότητα της κυματοσυνάρτησης στο χώρο: ψ(x,y,z)=asin(p x x)sin(p y y)sin(p z z) (p x, p y, p z )= (n x, n y, n z )2π/α c) Toπλήθος των καταστάσεων πεταξύ p και p+dp σε δύο διαστάσεις d 3 p=d p x d p y d p z = p 2 d p sinθ dθ dφ (2π/α) 3 ο ογκος μιας κατάστασης στο χώρο των ορμών dn = dω p 2 dp / h 3 αριθμ. τέτοιων σωματιδίων σε V=1 14

15 Χωρος φάσεων Χώρος φάσεων: χώρος ορμών και θέσεων των σωματιδίων Κάθε σωματίδιο στο χώρο των φάσεων καταλαμβάνει όγκο h 3 15

16 Χωρος φάσεων Χώρος φάσεων: χώρος ορμών και θέσεων των σωματιδίων Κάθε σωματίδιο στο χώρο των φάσεων καταλαμβάνει όγκο h 3 16

17 Υπολογισμός μόνο με χώρο φάσεων d dω σχετική ταχύτητα συκρουόμενων σωματιδίων d dω 17

18 Τι μαθαινουμε? Αν δεν μπορώ να υπολογίσω το Μ, δεν έχω πρόβλεψη για το τι θα μετρήσει το πείραμα. Αλλά μπορώ, μελετώντας τα αποτελέσματα του πειράματος και χρησιμοποιώντας συμμετρίες να καταλάβω κάτι για την αλληλεπίδραση και τα συμμετέχοντα σωματίδια Σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις κάνουμε συχνή χρήση συμμετριών (δύσκολος ο υπολογισμός των Matrix Elements) 18

19 Αρχή λεπτομερούς ισοζυγίου principle of detailed balance Εφαρμογή στη σκέδαση a + b c + d 19

20 Αρχή λεπτομερούς ισοζυγίου Εφραγμογή στη σέδαση a + b c + d principle of detailed balance 20

21 Αρχή λεπτομερούς ισοζυγίου Εφραγμογή στη σέδαση a + b c + d principle of detailed balance 21

22 Εφαρμογή: Το σπιν του πιονίου 22

23 Εφαρμογή: Το σπιν του πιονίου 23

24 Γενικά: Συχνή χρήση συμμετριών στισ ισχυρές αλληλεπιδράσεις Αν δεν μπορώ να υπολογίσω το Μ, δεν έχω πρόβλεψη για το τι θα μετρήσει το πείραμα. Αλλά μπορώ, μελετώντας τα αποτελέσματα του πειράματος και χρησιμοποιώντας συμμετρίες να καταλάβω κάτι για την αλληλεπίδραση και τα συμμετέχοντα σωματίδια Σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις κάνουμε συχνή χρήση συμμετριών (δύσκολος ο υπολογισμός των Matrix Elements) θα δούμε στα επόμενα και το ΙΣΟΣΠΙΝ 24

25 Ο Πίνακας Σκέδασης απο Θεωρία Διαταραχών 25

26 Ο Πίνακας Σκέδασης απο Θεωρία Διαταραχών 26

27 Ο Πίνακας Σκέδασης απο Θεωρία Διαταραχών 27