Jedra, kvarki, leptoni

Transcript

1 Jedra, kvarki, leptoni

2 Fizika jedra in osnovnih delcev na FMF 1. stopnja Moderna fizika II Fizika jedra in osnovnih delcev 2. stopnja Jedra, kvarki, leptoni Eksperimentalna fizika jedra in osnovnih delcev Napredni detektorji in obdelava podatkov Teorija polja Teorija osnovnih delcev in jedra

3 Vsebina Uvod Standardni model osnovnih delcev in njihovih interakcij Poskusi v fiziki osnovnih delcev Program predmeta Pregled literature

4 Odkritje elektrona: začetek fizike osnovnih delcev J.J. Thomson (1897): odkritje elektrona (NN 1906)

5 A. Einstein: E = mc 2 A. Einstein, M.Planck: energijski paketi svetlobe (NN 1921, 1918) L. de Broglie: λ B=hc / E kin (NN 1929) W. Heisenberg: E. t ~ h (NN 1932)

6 Sipanje delcev α na Au foliji Rutherford, Geiger Pozitivni naboj enakomerno porazdeljen po atomu vsi delci α se sipljejo pod majhnimi koti. Poskus: precej delcev α se siplje pod velikimi koti!

7 E.Rutherford (1911): atomi so iz masivnega jedra in elektronskega oblaka Jedro: 1/ prostornine atoma Toda: A ni enak Z - razen pri vodiku! He: Z=2, A=4; Li: Z=3, A=7

8 J. Chadwick: odkritje nevtrona (NN 1935) Jedra so sestavljena iz protonov in nevtronov!

9 Na poti do osnovnih delcev Red v periodnem sistemu atomi so sestavljeni iz osnovnejših delcev, protonov in nevtronov v atomskem jedru, in elektronov. Ali sta torej p in n osnovna delca?

10 Poleg elektromagnetne še dodatna (močna) sila!!! H. Yukawa: nosilec močne sile π m π ~ 0,1 GeV (NN 1949) V a r) = mc e r / a ( Potencial za interakcijo, ki jo r prenaša masiven delec z maso m a: doseg inerakcije

11 Žarki α v meglični celici (C. Wilson, NN 1927)

12 Detekcija delcev Delec detektiramo tako, da ga pustimo, da interagira s sredstvom v detektorju Interakcijo nato zabeležimo (razvijemo filmsko emulzijo, fotografiramo mehurčke, obdelamo električni signal) in jo interpretiramo rekonstruiramo reakcijo ( dogodek ). Energijske izgube na enoto poti: formula Betheja in Blocha

13 Detekcija delcev 2 Energijske izgube na enoto poti: formula Betheja in Blocha 1/β 2 Za βγ<1: de/dx α 1/β 2 počasnejši delci izgubljajo več energije na enoto poti FJOD - uvod

14 Izvori delcev Radioaktivni izotopi Kozmični delci Pospeševalniki

15 Odkritje pozitrona e + C. Anderson (NN 1936) Nabit delec prečka ploščo iz Pb Naboj: predznak ukrivljenosti v B (kaže v sliko) Masa: iz gibalne količine polmer kroga - in hitrosti (to pa ocenimo iz izgube E pri preletu svinca)

16 Odkritje miona C. Anderson (1936): meritve z meglično celico ~4500 m.n.m. ~0 m.n.m. nov delec, m~0,1 GeV NE občuti močne sile µ (200 krat težji od e)

17 Odkritje piona C. Powell: fotografska emulzija, odkritje π (1947) (NN 1950) π µ e π µ X e X Pravilno zaporedje: počasnejši delci izgubljajo več energije puščajo debelejšo sled

18 Odkritje kaonov svinčena plošča K 0 π π + K + Rochester, Butler (1947)

19 Čudni delci Kaoni so primer čudnih delcev: zelo radi nastanejo, razpadejo pa počasi. Čudni delci nastanejo le v parih: recimo p+p p+p+k + +K -, ne pa tudi p+p p+p+k 0 za nastanek je odgovorna močna interakcija, ki ohranja čudnost S (za K + S=+1, za K - S=-1) Razpad: na primer K + π + π + π - : poteka zaradi šibke interakcije, čudnost se ne ohranja Šibka interakcija: odgovorna tudi za razpad beta n p e - ν

20 3-krat čudni Ω

21 Periodni sistem: naboj in čudnost Mezoni: S=1 K 0 K+ S= 0 π - η,π 0 π + S=-1 K - K 0 Q=1 Q=-1 Q=0

22 Periodni sistem: barioni Barioni: S=0 n p S:-1 Σ - Λ,Σ 0 Σ + S=-2 Ξ - Ξ 0 Q=1 Q=-1 Q=0

23 Na poti do osnovnih delcev Red v periodnem sistemu atomi so sestavljeni iz osnovnejših delcev, protonov in nevtronov v atomskem jedru, in elektronov. Ali sta torej p in n osnovna delca? Težava: imata cel kup sorodnikov (hadronov), ki jih podobno kot atome uvrstimo v neke vrste periodni sistem.

24 Na poti do osnovnih delcev Multipleti hadronov ~ periodni sistem. J=1/2 J=0 J=3/2 J=1

25 M. Gell-Mann: hadroni so sestavljeni iz kvarkov! u: Q=+2/3 d: Q=-1/3 S: Q=-1/3

26 Hadroni: sestavljeni iz kvarkov Mezoni: kvark + anti-kvark barioni: trije kvarki 1. oktober 2007 FJOD - uvod

27 Še več kvarkov: najprej kvark c November 1974: odkritje delca J/ψ vezano stanje kvarka c in anti-kvarka c pri 3,1 GeV/c 2 ( NN Sam Ting in Burt Richter) Masa kvarka c ~ 1,5 GeV/c 2 J/ψ µ + µ - J/ψ e + e - BNL SPEAR@SLAC 1. oktober 2007

28 Še več kvarkov: nato kvark b FERMILAB 1977: odkritje delca Υ vezano stanje kvarka b in anti-kvarka b pri 9,4 GeV/c 2 Υ µ + µ - Masa kvarka b ~ 5 GeV/c 2

29 Še več kvarkov: in končno t 1995: odkritje kvarka t v razpadih t b e + ν e Eksperiment CDF v FERMILABu Pri zgornjem dogodku so zabeležili razpada obeh, t in _ anti-t (zmeraj nastaneta v paru); drugi t je razpadel takole t b d u 1. oktober 2007 FJOD - uvod

30 Standardni model Standardni model: 2 vrste osnovnih delcev (leptoni, kvarki) 3 vrste interakcij delec, ki poskrbi za maso vseh ostalih (Higgs)

31 Standardni model: osnovni delci Osnovni delci 1. družina 2. družina 3. družina kvarki u,d s,c b,t leptoni e -,ν e µ -,ν µ τ -,ν τ

32 Standardni model: Interakcije Sila - interakcija nosilci sile doseg elektromagnetna foton γ neskončen šibka šibki bozoni W +, W -,Z 0 zelo kratek močna gluoni g kratek

33 Barioni in mezoni: vezana stanja kvarkov in anti-kvarkov Barioni: proton: uud, nevtron: udd Mezoni: _ masa π + : kvark u + antikvark d 1/7 m _ p K + : kvark u + antikvark s 1/2 m _ p K 0 : kvark d + antikvark s 1/2 m _ p φ : kvark s + antikvark s 1.1 m _ p J/ψ : kvark c + antikvark _ c 3 m p B 0 : kvark d + antikvark b 5.5 m p

34 Šibka interakcija: pretvorba enega kvarka v drugega Pri prehodu, ki ga povzroči šibka interakcija, se spremeni okus kvarka: recimo d u. Primer: Razpad beta pri nevtronu: (udd) (uud) + e - + ν e Možni prehodi: u d, u s, u b c d, c s, c b t d, t s, t b Vsi prehodi niso enako verjetni!

35 Matrika CKM Prehodi med kvarki z nabojem 2/3 in 1/3: kompleksni matrični elementi unitarne matrike CKM (Cabibbo-Kobayashi- Maskawa) W ± q i V ij q j Prehodi med kvarki iste družine so bistveno bolj verjetni (=debelejše črte)

36 Ohranitveni zakoni Pri vseh (do sedaj znanih) interakcijah se ohranjajo: - četverec gibalne količine - vrtilna količina - naboj Q - barionsko število B - čudnost (razen pri šibki interakciji) - parnost (razen pri šibki interakciji) - leptonska števila (ločeno elektronsko, mionsko in tauonsko) * * razen pri propagaciji nevtrinov

37 Poskusi v fiziki osnovnih delcev Pospešimo osnovne delce, pri trku se sprosti energija, ta se pretvori v materijo delce, od katerih so nekateri neobstojni. Dva načina trkanja: Poskusi s fiksno tarčo Trkalnik

38 Kako pospešujemo nabite delce? Pospeševanje z elektromagnetnim valovanjem (tipična frekvenca 500 MHz mobilni telefoni delujejo pri 900 oz MHz) Valovanje v radifrekvenčni votlini: c<c 0 elektron... podobno deskanju na valovih

39 Trkalnik KEK-B in detektor Belle v Tsukubi Tsukuba-san KEKB Belle ~premer 1 km

40 Trkalnik KEK-B pospešuje elektrone in pozitrone do trka Detektor Belle Del obroča trkalnika: magneti in pospeševalni elementi FJOD - uvod LINAC Izvor e - RF votline Izvor e +

41 Poskus HERA-B: trki pospešenih protonov v mirujoče protone

42 Kako ugotovimo, kaj se je zgodilo pri trku? Izmerimo koordinato točke (verteksa), kjer je potekla reakcija: izmerimo položaj in smer sledi nabitih delcev v bližini te točke. Izmerimo gibalno količino nabitih delcev: v močnem magnetnem polju (~1T) izmerimo ukrivljenost sledi, ki jo pustijo nabiti delci. Določimo identiteto nabitih delcev (e, µ, π, K, p) Izmerimo energijo visokoenergijskih fotonov γ

43 Kaj izmerimo z detektorjem? - sledi nabitih delcev v magnetnem polju (polmer kroga je odvisen od gibalne količine delca) - koordinate točke, od koder sledi izhajajo - dodatne podatke o identiteti delca B 0 --> K 0 S J/ψ K 0 S --> π - π + J/ψ --> µ - µ +

44 Kaj izmerimo z detektorjem? -2 Kako vemo, da je potekla spodnja reakcija? B 0 K 0 S J/ψ K 0 S π π + zaznamo J/ψ µ µ + Za pare π π + in µ µ + izračunamo invariantno maso: M 2 c 4 =(E 1 + E 2 ) 2 - (p 1 + p 2 ) 2 Mc 2 mora biti za K 0 S blizu 0.5 GeV, za J/ψ pa blizu 3.1 GeV. Ostalo: naključne kombinacije. π π + µ µ + e e GeV

45 Spektrometer Belle detektor µ and K L (14/15 layers RPC+Fe) pragovni števec Čerenkova (aerogel, n= ) silicijev detektor verteksov (4 plasti mikropasovnih detektorjev) 3.5 GeV e + 8 GeV e - supraprevodna tuljava (B=1.5T) števec časa preleta (ToF) electromagnetni kalorimeter (kristali CsI, 16X 0 ) centralna drift komora (majhne celice, He/C 2 H 6 )

46 Spektrometer Belle in del raziskovalne skupine 1. oktober 2007 FJOD - uvod

47 Detektor verteksov Eden bistvenih elementov detektorja je detektor verteksa, točke, kjer je mezon B razpadel. Zelo občutljiv kos aparature iz 300µm debelih silicijevih plošč z gosto nanešenimi elektrodami: natančnost meritve mesta preleta nabitega delca: 10 µm!

48 Silicijev detektor verteksov 50µm 20 cm 50 cm z Dve koordinati merimo istočasno (na spodnji in zgornji površini). e - e + 1. oktober 2007 FJOD - uvod

49 Sledenje delcev v plinu: drift komora Izkoriščamo ionizacijske izgube nabitih delcev v plinu. Sproščeni elektroni (iz para elektron-ion) potujejo proti pozitivno nabiti tanki žici, ob površini pomnoževanje električni signal. V bližini tanke nabite žičke: E = E(r) α 1/r Če elektron na prosti pot l dobi dovolj energije (eel > Eionizacija), izbije pri trku z atomom elektron pomnoževanje

50 Sledenje delcev: drift komora 40 plasti žic, plinska mešanica recimo He-izobutan ali He-etan. ~4m ~2m

51 Identifikacija nabitih delcev Delce identificiramo po njihovi masi. Kako določiti maso brez tehtanja? Iz zveze med gibalno količino in hitrostjo: p=mv Ločeno izmerimo - gibalno količino p (ukrivljenost tira v magnetnem polju) - hitrost v čas preleta (~štoparica) ionizacijske izgube (odvisne od hitrosti) velikost kota Čerenkova

52 Identifikacija z meritvijo energijskih izgub (de/dx) Pri dovolj majhni hitrosti β de/dx ~ β GeV/c 1 10 de/dx izgube v veliki drift komori Bistveno za identifikacijo nabitih delcev pri p<1gev/c 1. oktober 2007 FJOD - uvod

53 Identifikacija preko sevanja Čerenkova Fronta pri nadzvočnem letu c/v = cosθ Na sliki: kot 52 o, v = c/cosθ = 340m/s / cos 52 o = 552m/s Iz kota fronte določimo hitrost krogle!

54 Sevanje delca, ki leti hitreje od svetlobne hitrosti v sredstvu Nabiti delci s hitrostjo v>c=c 0 /n, sevajo: sevanje Čerenkova *. Ponovno: c/v = cosθ Iz kota, pod katerim je izsevana svetloba, lahko določimo hitrost delca. *P. Čerenkov, Nobelova nagrada 1958

55 Meritev kota Čerenkova Nabit delec prečka sredstvo z lomnim količnikom n seva svetlobo Čerenkova, to pa zaznamo z detektorji (fotopomnoževalkami). Smer sevanja (fotonov) določimo iz znane točke izseva in izmerjene točke detekcije.

56 Meritev kota Čerenkova čitalna elektronika fotopomnoževalke sevalec aerogel pionski žarek S. Korpar pri meritvi v testnem žarku v KEK

57 Meritev kota Čerenkova: detektor Čerenkovih obročev Primeri dogodkov, kot jih zaznajo fotopomnoževalke ob preletu nabitega delca. Polmer kroga Čerenkov kot Zadetek v središču kroga: Čerenkovi fotoni, ki jih nabit delec izseva v oknu fotopomnoževalke. Zelo malo ozadja!

58 Detektor Čerenkovih obročev 2 Druga možnost debel sevalec: pretvoriti smer v koordinato. Uporabimo sferično zrcalo: paralelni žarki se sekajo v goriščni ravnini. Čerenkov kot večja hitrost manjša

59 Pragovni Čerenkov števec K (pod pragom), π (nad pragom) cosθ = c/nv = 1/βn Prag: β t = 1/n yield vs p Detektor: kos sevalca z dvema fotopomnoževalkama 1. oktober 2007 Število zaznanih fotonov za pione in kaone, 2 GeV < p < 3.5 GeV

60 Identifikacija nabitih delcev Hadroni (π, K, p): Čas preleta (Time-of-flight, TOF) de/dx v sledilni drift komori Čerenkovi detektorji Elektroni: edini zavorno sevajo (dosti manjša masa kot ostali), povzročijo pljusk nabitih delcev v elektromagnetnem kalorimetru (scintilator+ fotopomnoževalke) Mioni: interagirajo elektromagnetno, ne sevajo zavorno, preletijo tudi tuljavo magneta in debele železne plošče povratnega jarma.

61 Spektrometer Belle detektor µ and K L (14/15 layers RPC+Fe) pragovni števec Čerenkova (aerogel, n= ) silicijev detektor verteksov (4 plasti mikropasovnih detektorjev) 3.5 GeV e + 8 GeV e - supraprevodna tuljava (B=1.5T) števec časa preleta (ToF) electromagnetni kalorimeter (kristali CsI, 16X 0 ) centralna drift komora (majhne celice, He/C 2 H 6 )

62 HERA-B: detector ob fiksni tarči 1. oktober 2007 FJOD - uvod

63 Kako zaznati nevtrine? Zaznamo jih posredno: elektronski nevtrino povzroči nastanek elektrona, mionski nevtrino nastanek miona, ν e + n p + e - ν µ + n p + µ - Toda: verjetnost za tako reakcijo v 100m vode je samo Potrebujemo velikanski detektor... in zopet nekaj let za meritve!

64 Superkamiokande: primer nevtrinskega detektorja Tudi v tem primeru uporabimo Čerenkovo sevanje 60m 40m fotopomnoževalk premera 50cm!

65 Superkamiokande: zaznavanje elektronov in mionov Kako zaznamo mion ali elektron? Ponovno preko Čerenkovega sevanja, tokrat v vodi. µ ν Nastali mion oz. elektron seva fotone Čerenkova obroč na steni posode. mionski obroč: ostri robovi elektronski: razmazan (zavorno sevanje).

66 Superkamiokande: zaznavanje elektronov in mionov Detektorji svetlobe: zelo zelo velike fotopomnoževalke mionski obroč M. 1. oktober Koshiba 2007 Elektrone ločimo od mionov po vzorcu na detektorju svetlobe.

67 AMANDA: uporabimo led na Antarktiki namesto vode Fotopomnoževalke merijo čas prihoda Čerenkovih fotonov

68 AMANDA Primer dogodka, ki so ga zaznale fotopomnoževalke. Mion prihaja v detekcijski sistem od spodaj. 1. oktober 2007

69 Na lovu za Higgsovim delcem Evropski laboratorij za fiziko delcev CERN LHC

70 Detektor ATLAS ob LHC v pripravi 1.možak..tukaj oktober 2007

71 Računalniška simulacija: H 4 µ (ATLAS) 1. oktober 2007 FJOD - uvod

72 Standardni model: dokončna teorija? Standardni model: 12 osnovnih delcev 3 vrste interakcij, nosilcev sile delec, ki poskrbi za maso vseh ostalih (Higgs) Pravilen, a s preveč osnovnimi delci? Poleg tega

73 Standardni model ni dokončna teorija Poleg tega: Nevtrini imajo (majhno) maso Izmerjena kršitev CP je premajhna, da bi pojasnila asimetrijo med snovjo in anti-snovjo v vesolju Gravitacija še ni vključena Večina vesolja je iz nam neznane snovi... snov ~nič anti-snovi temna energija temna snov

74 Program tega cikla predavanj Poskusi v fiziki jedra in osnovnih delcev. Pospeševalniki. Detekcija nabitih in nevtralnih delcev. Standardni model. Sile na daljavo. Vrste interakcij. Barva. Jedrska fizika. Sile med nukleoni. Jedrski razpadi. Simetrije in grupe. Rotacije. Clebsh-Gordonovi koeficienti. Izospin. Okusna SU(3) simetrija. Mezoni. Barioni Elektrodinamika delcev brez spina. Feynmanova pravila. Sipalni presek. Antidelci. Diracova enačba. Elektrodinamika delcev s spinom ½. Feymanova pravila. Sipanje e - µ - e - µ -. Anihilacija e + e - -> µ + µ - Šibka interakcija. Matrika CKM: meritev matričnih elementov, unitarnost. GIM mehanizem. Nevtralni tok, ki spremeni okus. Mešnje pri nevtralnih mezonih K in B. Kršitev CP. Elektrošibka interakcija. Močna interakcija. Veliko poenotenje. Zveza med fiziko osnovnih delcev in razvojem vesolja. 1. oktober 2007 FJOD - uvod

75 Literatura Spletna stran teh predavanj je na: Predavanja v glavnem sledijo knjigi: F. Halzen, A.D. Martin: Quarks and Leptons Teme iz jedrske fizike: M. Rosina: Jedrska fizika Zelo uporabni sta tudi: D. Griffiths, Introduction to Elementary Particles Bogdan Povh, K. Rith, Ch. Scholz, and F. Zetsche: Particles and nuclei, Springer 2004

76 Dodatna literatura Dodatno čtivo: B. Povh, M. Rosina: Scattering and Structures, Essentials and Analogies in Quantum Physics, Springer (2005) Prosojnice z mojega predavanja pri izbranih poglavjih Prosojnice z mojega cikla predavanj na univerzah v Barceloni in Tokiju Tam najdete tudi seznam dodatne priporočene literature. ~

77 Seminarji, diplome Za tiste, ki jih ta del fizike zanima, je na voljo več tem za: Seminarje Diplomska dela Oglasite se pri meni, ali pri asistentu Boštjanu Golobu, ali pa poglejte na spletno stran (ki čaka na prenovo...):

78 Dodatne prosojnice 1. oktober 2007 FJOD - uvod