Z čoho sa svet skladá? Čo ho drží pokope?

Transcript

1 4 ŠTANDARDNÝ MODEL 4.1 História Počiatkom všetkých vied je úžas nad tým, čím veci sú a čo sú. Aristoteles Z čoho sa svet skladá? Čo ho drží pokope? Odpovede na tieto otázky, na dnešnej úrovni nášho poznania, sú obsiahnuté v Štandardnom modeli mikrosveta 1989 J. J. Thompson objavil elektrón prvú elementárnu časticu Rutherford 1911 Rutherford experimentálne zistil, že atóm má malé husté kladné jadro 1913 Bohr predložil svoj poloklasický model atómu vodíka s elektrónom obiehajúcim okolo jadra po určitých dráhach 1926 zrodila sa kvantová mechanika Niels Bohr 1932 J. Chadwick objavil neutrón V polovici 20. storočia boli známe tieto častice: Názov Symbol Náboj Hmotnosť (protón ako jednotka) Stabilná Elektrón (1897) e -1 1/1800 áno Neutríno (1931-ν 0 0(?) áno 56) Mión (1936) µ -1 1/9 τ=10-6 s Protón + p 1 1 áno (?) Neutrón (1932) n 0 1 τ=15 min (ak je voľný) Pión (1947) π + π - ±1 1/4 τ=10-8 s (1950) π 0 0 1/4 τ=10-16 s τ - doba života, 1

2 V dôsledku rozvoja experimentálnych metód urýchľovačov a detektorov častíc, v 60. rokoch sa počet známych častíc rozrástol: Názov Symbol Náboj Hmotnosť (protón ako jednotka) Stabilná Protón p +1 1 áno Neutrón (1932) n 0 1 τ=15 min (ak je voľný) Pión (1947) π + π - ±1 1/4 τ=10-8 s (1950) π 0 0 1/4 τ=10-16 s Eta (1961) η 0 0 1/2 τ=10-14 s Kaón K +, K - +1, -1 1/2 τ=10-8 s K 0 ~ K 0, 0 1/2 τ=10-8 s, s Sigma (1958) Σ +,Σ - +1, -1 1,2 τ=10-10 s Σ 0 0 1,2 τ=10-20 s Lambda Λ 0 0 1,1 τ=10-10 s Xi (1959) Ξ 0 0 1,3 τ=10-10 s Ξ ,3 τ=10-10 s Delta +2 1,2 τ=10-23 s +1 1,2 τ=10-23 s 0 1,2 τ=10-23 s -1 1,2 τ=10-23 s Sigma-star Σ +*, Σ -* +1, -1, 1,4 τ=10-23 s (1961) Σ 0* τ=10-23 s Xi-star (1962) Ξ 0* 0 1,5 τ=10-23 s Ξ -* -1 1,5 τ=10-23 s τ - doba života, Nie je podstatné pamätať si všetky ich názvy, veď už E. Fermi raz povedal svojmu žiakovi: Mladý muž, ak by ste si pamätali všetky názvy častíc, mohli ste byť botanikom a nie fyzikom! Základy Štandardného modelu vznikli v rokoch

3 4.2 Z čoho sa skladá hmota Čo je elementárne? Je to jednoduché Je to nedeliteľné. Je to atóm? Jadro? Protón? Neutrón? Nie, ani protón, ani neutrón, oba nukleóny sú zložené z kvarkov. Kvarky sú elementárne častice. Ak by protón mal priemer 1 cm kvark a elektrón by bol menší ako hrúbka vlasu priemer atómu by bol väčší ako dĺžka 30 futbalových ihrísk 99, % atómu je prázdny priestor 3

4 Poznáme 6 kvarkov: a 6 antikvarkov. Antikvark má opačný náboj ako kvark. Základné vlastnosti kvarkov: majú zlomkový elektrický náboj majú farebný náboj samostatne sú nepozorovateľné. Sú usporiadané po dvoch v troch generáciách: d(dolný), u(horný), s(podivný), c(pôvabný) b(spodný), t(vrchný) 4

5 podľa narastajúcej hmotnosti. Najťažší t-kvark bol experimentálne potvrdený v roku 1995 a jeho hmotnosť bola stanovená ako asi 177-krát väčšia ako je hmotnosť protónu. Častice, ktoré sú zložené z kvarkov, sa nazývajú hadróny: baryóny skladajú sa z 3 kvarkov mezóny skladajú sa z kvarku a antikvarku. Druhú skupinu elementárnych častíc tvoria častice, medzi ktoré patrí elektrón leptóny, ktorých je tiež 6: a každý má svoju antičasticu. Leptóny sú tiež usporiadané po dvoch v troch generáciách elektrón a elektrónové neutríno mión a miónové neutríno tau leptón a jeho neutríno Mión a tau sú podobné častice ako elektrón, majú tiež záporný elektrický náboj, ale majú oveľa väčšiu hmotnosť. Najťažší leptón tau je ťažší ako protón. Neutrína sú veľmi ľahké a prenikavé častice, ktoré nemajú elektrický náboj. Počas jednej sekundy preletí nechtom nášho 5

6 malíčka niekoľko desiatok miliárd neutrín z kozmického žiarenia. Toto sú teda základné stavebné bloky hmoty - kvarky a leptóny, usporiadané v troch generáciách podľa rastúcej hmotnosti: Celý náš dnešný svet je vybudovaný z častíc prvej generácie. Ťažšie častice druhej generácie niekedy vzniknú z kozmického žiarenia, ale sú nestabilné a rozpadnú sa na ľahšie častice. Dnes ich už vieme, a tak isto aj tie z tretej generácie, produkovať v moderných urýchľovačoch a študovať ich vlastnosti. 6

7 4.3 Základné sily prírody Celý náš Vesmír existuje vďaka tomu, že elementárne častice interagujú. Medzi interakcie patria príťažlivé a odpudivé sily, rozpad a anihilácia. K anihilácii dochádza, keď interaguje častica s antičasticou. Celá hmotnosť interagujúcich častíc sa pritom premení na energiu: E = mc 2. Poznáme štyri základné interakcie: gravitačná elektromagnetická slabá silná Interakcie medzi časticami prebiehajú prostredníctvom častíc iného typu, ktoré nazývame nosiče interakcie tak, že častice si ich medzi sebou vymieňajú. Častice sa od nositeľov interakcií odlišujú najmä tým, že v uzavretom systéme, ako je napríklad elektrónový obal alebo jadro atómu, nemôžu byť dve častice, ktoré majú všetky vlastnosti rovnaké. Tým je daná štrukturalizácia a mnohorakosť nášho sveta. Pre nosiče interakcií toto neplatí. Gravitačná interakcia je najstaršia známa sila. Aj keď je riadiacou silou Vesmíru, v mikrosvete je zanedbateľne slabá. Jej predpokladaným nosičom je gravitón Druhou dlho známou interakciou je elektromagnetická sila, vďaka ktorej existujú atómy. Pôsobí medzi elektricky 7

8 nabitými časticami. Jej nosičom je fotón. Obe tieto sily pôsobia aj na veľké vzdialenosti. ŠTANDARDNÝ MODEL Ďalšie dve sily pôsobia iba na veľmi malé vzdialenosti rozmerov jadra atómu m. Prvou z nich je silná interakcia, ktorá drží spolu nukleóny v jadre. Pôsobí medzi časticami, ktoré majú farebný náboj, a to sú kvarky. Farebný náboj nemá nič spoločné s farbou. Je tu iba analógia so zmiešavaním farieb: ak zmiešame všetky farby, dostaneme bielu farbu, analogicky pozorovať môžeme iba neutrálne biele objekty teda hadróny, ktoré vznikli zložením farebných kvarkov. Jednotlivé farebné kvarky pozorovať samostatne nemôžeme. Nosičom silnej interakcie je gluón, ktorý má tiež farebný náboj. Silná sila medzi kvarkami narastá so vzdialenosťou medzi nimi. Podobne je to s pružinou čím viac ju rozťahujeme, tým väčšou silou musíme pôsobiť. Silná jadrová sila medzi nukleónmi v jadre je zbytkovou (reziduálnou) silnou silou. Poslednou interakciou je slabá interakcia, ktorá je zodpovedná za rozpady, napríklad aj rádioaktívny beta rozpad. Prostredníctvom nej sa mení druh, tzv. vôňa, kvarkov i leptónov. Nosičmi slabej interakcie sú ťažké bozóny W +, W -, Z 0. Jednou z teoretických predpovedí Štandardného modelu, ktorá bola následne experimentálne potvrdená, bolo to, že 8

9 elektromagnetická a slabá interakcia sú dva prejavy jedinej zjednotenej elektroslabej interakcie. Toto sú 4 interakcie v prírode: interakcia gravitačná slabá elektromagnetická silná nosič gravitón W + W - Z 0 fotón gluón pôsobí na všetky kvarky a leptóny kvarky a nabité leptóny a W + W - kvarky a gluóny 4.4 Štandardný model a čo je za ním Štandardný model je teória, ktorá popisuje základné stavebné časti hmoty a interakcie medzi nimi. Silnú interakciu popisuje kvantová chromodynamika a slabú a elektromagnetickú zjednotená elektroslabá teória. Nezahŕňa teóriu gravitácie. 9

10 K jeho dnešnému stavu viedlo viac ako 30-ročné teoretické a experimentálne úsilie. Napriek tomu ani dnes ešte nepoznáme odpovede na všetky otázky. Na niektoré otázky hľadáme odpoveď v ranom Vesmíre, tu je súvis medzi fyzikou toho najmenšieho a toho najväčšieho. Na nasledujúce otázky stále hľadáme odpovede: Ako zakomponovať gravitáciu? Prečo sú práve tri generácie častíc? Odkiaľ pochádzajú hmotnosti častíc? 10

11 Predpoveď je tzv. Higgsov bozón, očakáva sa jeho experimentálne potvrdenie v LHC v CERNe. Aká je hmotnosť neutrína? Dôjde pri dosť vysokých energiách k ďalšiemu zjednoteniu interakcií? Bude teóriou všetkého zjednotenou teóriou všetkých 4 interakcií Teória strún? Čo je skrytá hmota a skrytá energia vovesmíre? Hmota, ktorú vidíme, je len 5% z hmoty Vesmíru. 11

12 12