Εισαγωγή στη Θεωρία των Στοιχειωδών Σωµατιδίων ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Ο κόσµος των σωµατιδίων σήµερα Το Καθιερωµένο Πρότυπο Προοπτική για τη νέα Φυσική ΕΚΕΦΕ «Δηµόκριτος» Δρ. Θεόδωρος Γέραλης Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωµατιδιακής Φυσικής Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. Δηµόκριτος Παρουσίαση για τους µαθητές του MasterClass 2019 Χανιά - 16 Μαρτίου 2019 1
Από τι είμαστε φτιαγμένοι; mainly water (H 2 O) Πολύ Οξυγόνο (Οξείδια) 96% άγνωστο που βρίσκεται C H O unknown 2 waterstof en helium
ΕΡΕΥΝΑ ΓΙΑ ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ ΜΕ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΤΟΥ LHC ΚΑΙ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ CAST 1) Ταχύτητα Γαλαξιών σε σφαιρικά σµήνη (1933 Fritz Zwicky) µικρότερη της αναµενόµενης Υπάρχει Σκοτεινή Ύλη 2) Ταχύτητα Αστέρων Σπειροειδών Γαλαξιών (1960) Μετρούµενη ταχύτητα r Προβλεπόµενη ταχύτητα Από παρατηρούµενη Ύλη 3) WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Υπάρχει Σκοτεινή Ύλη και Σκοτεινή Ενέργεια 16/3/2018 Θ. Γέραλης 3
Ιστορική Αναδροµή (I) 1897 Ηλεκτρόνιο (Ανακάλυψη απο J.J. Thomson: εκποµπή από πυρακτωµένο νήµα) 1909 Πυρήνας (ανακάλυψη Rutherford) 1900 1924 Φωτόνιο (Planck, Einstein, Millikan, Compton) 1927 Dirac υπόθεση για ύπαρξη αντι-ηλεκτρονίου (ποζιτρονίου) 1930 Ποζιτρόνιο 1932 Νετρόνια (Chadwick) 1934 Έρευνα για τον µεσάζοντα της Ισχυρής Αλλ/σης (Yukawa particle) 1937 Μιόνιο (Anderson, Neddermeyer, Street, Stevenson κοσµικές ακτίνες). ΔΕΝ ΗΤΑΝ το Yukawa particle! Πρώτο ρήγµα στην εικόνα της εποχής για τα στοιχειώδη σωµατίδια: Το Μιόνιο είναι ένα «βαρύ» ηλεκτρόνιο - λεπτόνιο 1947 Πιόνιο ( Yukawa particle Powel et al. Bristol) 1947 Παράξενα σωµατίδια σε κοσµικές ακτίνες (Καόνια: Κ 0 àπ + π - ) 1955 Νετρίνο (Reines, Cowan Savannah river Nuclear Reactor) Υπόθεση ύπαρξής του από διάσπαση β (3-body decay) 1955 Αντιπρωτόνιο 4
Ιστορική Αναδροµή (II) 1950 1960 Πληθώρα σωµατιδίων (Μεσονίων και Βαρυονίων) έχουν ανάγκη ενός νέου «Περιοδικού Πίνακα». 1961 1964 Gell-Mann Murray, Eightfold way, Baryon Octet, Meson Octet, Baryon Decuplet. O Gell-Mann πρόβλεψε την του βαρυονίου Ω - (S=-3) 1964 Ανακάλυψη του Ω -. 1964 Up Down Strange Quarks (Gell-Mann, Zweig) Βαρυόνια = π.χ ύπαρξη Μεσόνια = ( qqq) ( qq) 1964 Δ++(uuu), Αρχή του Pauli ; è Εισαγωγή νέου κβαντικού αριθµού, του χρώµατος (R,G,B) = Φορτίο της Ισχυρής σης. 1970 Πίνακας Στοιχειωδών Σωµατιδίων: e ν e µ ν µ u d s? π.χ. puud ( ), Ω ( sss) + + π ( ud), π ( ud), K ( us) 5 Αλλ/
Πρωτόνιο Κουάρκς Από τον Μικρόκοσµο στον Μακρόκοσµο και από το απειροστά µικρό ως τα κοσµολογικά µεγέθη Πυρήνας Ηλεκτρόνιο Νετρόνιο Μια οικογένεια Σωµατιδίων Φορτίο Τα κουάρκ u +2/3 d -1/3 Το ηλεκτρόνιο e -1 Το νετρίνο του e ν e 0 Ύλη Άτοµο Μόριο Αρκεί για να φτιάξουµε σχεδόν ότι βλέπουµε γύρω µας Δεν υπάρχουν ελεύθερα κουάρκ στη φύση Ενώνονται και σχηµατίζουν: Αδρόνια = (qqq) Μεσόνια = (qq) 6
Τα Αδρόνια αποτελούνται από τρία κουάρκ Το Πρωτόνιο έχει Φορτίο +1 Εξαιτίας των κουάρκ Που το αποτελούν Το Νετρόνιο έχει Φορτίο 0 Εξαιτίας των κουάρκ Που το αποτελούν +⅔ +⅔ +⅔ -⅓ -⅓ Πρωτόνιο Φορτίο = +1 -⅓ Νετρόνιο Φορτίο = 0 7
Τα Μεσόνια αποτελούνται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ +⅔ Το π + (πιόνιο) έχει Φορτίο +1 -⅔ Το π - (πιόνιο) έχει Φορτίο -1 +⅓ -⅔ Το π 0 (πιόνιο) έχει Φορτίο 0 -⅓ +⅔ 8
Ο Περιοδικός Πίνακας των Στοιχειωδών Σωµατιδίων ( 70) The particle drawings are simple artistic representations Λεπτόνια Ισχυρή Ηλεκτροµαγνητική Tαυ Ηλεκτρικό Φορτίο -1 0?? Tαυ Νετρίνο Γκλουόνια (8) Φωτόνιο Mιόνιο -1 0 Νετρίνο Μιονίου Κουάρκς? Ηλεκτρόνιο -1 0 Νετρίνο Ηλεκτρονίου Μεσόνια Βαρυόνια Πυρήνες Άτοµα Φως Χηµεία Ηλεκτρονικά Bottom Κουάρκς Ηλεκτρικό Φορτίο? -1/3 2/3? Top Βαρυτική Βαρυτόνιο? Μποζόνια (W,Z) Ασθενής Strange -1/3 2/3?? Charm? Down -1/3 2/3 Up Ηλιακό σύστηµα Γαλαξίες Μαύρες τρύπες Θ. Γέραλης Διάσπαση νετρονίου Βήτα διάσπαση Αλλ/σεις νετρίνων Πυρηνική ενέργεια Ήλιου καθε 16/3/2018 κουάρκ: R, B, G 3 χρώµατα 9
ΚΑΘΙΕΡΩΜΕΝΟ ΠΡΟΤΥΠΟ: ΠΡΟΤΑΘΗΚΕ ΣΤΗ ΔΕΚΑΕΤΙΑ ΤΟΥ 60 ΣΥΜΠΛΗΡΩΘΗΚΕ ΑΠΟ ΤΗ ΔΕΚΑΕΤΙΑ ΤΟΥ 70 ΜΕ ΣΕΙΡΑ ΣΗΜΑΝΤΙΚΩΝ ΑΝΑΚΑΛΥΨΕΩΝ 1974: ανακάλυψη του κουάρκ c (charm = «χαριτωµένο»), 1975: ανακάλυψη λεπτονίου τ («αδερφάκι» του ηλεκτρονίου), 1977: ανακάλυψη κουάρκ b ( b beauty = κουάρκ «οµορφιάς»), 1983: ανακάλυψη σωµατιδίων W+, W- και Z που αποτελούν φορείς της Ασθενούς δύναµης, 1990: απόδειξη ότι υπάρχουν µόνο 3 οικογένειες στοιχειωδών σωµατιδίων, 1990 2000: εξονυχιστικός έλεγχος των παραµέτρων του µε ακρίβεια µικρότερη από 1%, 1995: ανακάλυψη top κουάρκ και 2000: ανακάλυψη νετρίνου του τ λεπτονίου. 4 η Ιουλίου 2012: Λείπει µόνο το Σωµάτιο Higgs 10
The particle drawings are simple artistic representations Tαυ Λεπτόνια Ηλεκτρικό Φορτίο -1 0 3 η Οικογένεια Ο Περιοδικός Πίνακας των Στοιχειωδών Σωµατιδίων Tαυ Νετρίνο Ισχυρή Γκλουόνια (8) Ηλεκτροµαγνητική Φωτόνιο γ g Mιόνιο Ηλεκτρόνιο -1 0 2 η Οικογένεια -1 0 1 η Οικογένεια Νετρίνο Μιονίου Νετρίνο Ηλεκτρονίου Κουάρκς Μεσόνια Βαρυόνια Πυρήνες Άτοµα Φως Χηµεία Ηλεκτρονικά Bottom Κουάρκς Ηλεκτρικό Φορτίο -1/3 2/3 3 η Οικογένεια Top Βαρυτική Βαρυτόνιο? Μποζόνια (W,Z) Ασθενής Strange Down -1/3-1/3 2/3 2 η Οικογένεια 2/3 1 η Οικογένεια Charm Up Ηλιακό σύστηµα Γαλαξίες Μαύρες τρύπες Θ. Γέραλης Διάσπαση νετρονίου Βήτα διάσπαση Αλλ/σεις νετρίνων Πυρηνική ενέργεια Ήλιου καθε 16/3/2018 κουάρκ: R, B, G 3 χρώµατα 11
Διασπάσεις σωµατιδίων Ασθενής Αλληλεπίδραση β-διάσπαση ud W W W e W + + + + + + + ν τ ν µ ν νν τ τ µ µ + + + qq e e Z 0 16/3/2018 12 Θ. Γέραλης
Διασπάσεις σωµατιδίων Ισχυρή Αλληλεπίδραση π- (ud) g Δ(udd) 13
Ένας «Θάλαµος φυσαλίδων» Διασπάσεις σωµατιδίων Το Υδρογόνο είναι στόχος και ανιχνευτής ταυτόχρονα π- (ud) W - Λ(uds) 14
Οι τέσσερις Θεµελιώδεις δυνάµεις Σχετική ισχύς 1 1/137 Ισχυρή Πυρηνική Δύναµη Ηλεκτροµαγνητική δύναµη 1/100000 1/1000000000000000000000000000000000000000 ; Ασθενής Πυρηνική Δύναµη ~10-39 Βαρύτητα 15
Η Μεγάλη Έκρηξη Σωµατιδιακή Φυσική 16
ΚΑΘΙΕΡΩΜΕΝΟ ΠΡΟΤΥΠΟ: ΠΡΟΤΑΘΗΚΕ ΣΤΗ ΔΕΚΑΕΤΙΑ ΤΟΥ 60 ΕΞΑΙΡΕΤΙΚΑ ΚΟΜΨΟ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΙΑ ΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΚΑΙ ΤΙΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΤΟΥΣ (ΤΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΤΟΥΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ) Στοιχειώδη σωµατίδια: είναι «σηµειακά», χωρίς εσωτερική δοµή και συνιστούν τους δοµικούς λίθους του κόσµου µας π.χ ηλεκτρόνια, κουάρκς Ενοποιεί Ηλεκτροµαγνητική και Ασθενή δύναµη à Ηλεκτρασθενή ΠΡΙΝ : ΜΕΓΑΛΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (ΕΝΕΡΓΕΙΑ), ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ=ΑΫΛΑ, HIGGS ΔΕΝ ΕΠΙΔΡΑ ΜΕΤΑ : ΜΙΚΡΟΤΕΡΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ (ΕΝΕΡΓΕΙΑ), Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ HIGGS ΕΝΡΓΟΠΟΙΕΙΤΑΙ ΚΑΙ ΔΙΝΕΙ ΜΑΖΑ ΣΤΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ 17
18
ΣΥΜΜΕΤΡΙΕΣ Συµµετρίες: Εξαιρετικά σηµαντικός ρόλος στη Θεωρητική Φυσική Θεώρηµα της Noether: Συµµετρία ßà Νόµος Διατήρησης Χωρικής µετατόπισης Διατήρηση Ορµής Χρονικής µετάθεσης Διατήρηση Ενέργειας Στροφών Στροφορµής Διακριτές Συµµετρίες: Συζυγίας Φορτίου (Charge Conjugation) (Σωµατίδιο ßà Αντισωµατίδιο) à C Οµοτιµίας (Parity) (Αντιστροφής Συντεταγµένων) à P Αντιστροφή Χρόνου (Time reversal) à T CPT : Διατηρείται από όλες τις αλληλεπιδράσεις à αποτελεί βάση για όλη τη Θεωρητική Φυσική 19
ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Μας ενδιαφέρει η Διαφορά δυναµικού και όχι η απόλυτη τιµή του! Αν αλλάξω το Ηλεκτρικό Δυναµικό παντού κατά την ίδια ποσότητα η φυσική δεν αλλάζει: Σφαιρική Συµµετρία Βαθµίδας è Διατήρηση του Ηλεκτρικού Φορτίου!!! Όµως ο ΗΜ µένει αναλλοίωτος ακοµα και σε µια (πιο γενική ) αλλαγή των πεδίων σε κάθε σηµείο στο χώρο: ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ = Είναι µια Τοπική Θεωρία Βαθµίδας Επιβολή Τοπικής Συµµετρίας Βαθµίδας Επιβολή Αλληλεπίδρασης (του φορτίου q µε το πεδίο Α δηλαδή µε το φωτόνιο!) 20
Πώς τα γνωρίζουµε όλα αυτά; Κοσµικές Ακτίνες Κοσµικές ακτίνες Ραδιενέργεια Πειράµατα Επιταχυντών Και περίπου 100 χρόνια σκληρής δουλιάς από πολλούς ανθρώπους... 21
CERN Το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο για την Σωµατιδιακή Φυσική στην Γενεύη. Ο ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΗΣ LHC LHC LHC SPS Γιατί χρειαζόµαστε Επιταχυντές; 1) Παραγωγή νέων σωµατιδίων µε µεγάλη µάζα: m m Higgs SUSY > 115 m 1000 m πρωτονιου πρωτονιου 2) Μεγάλη Ενέργεια à µικρό µήκος κύµατος à καλή διακριτική ικανότητα CERN Site (Meyrin) ~GeV 1fm = 10-15 m 22
Συγκρούσεις Πρωτονίων-Πρωτονίων Παράγονται σωµατίδια και αντισωµατίδια γ γ p πρωτόνιο γ E = mc 2 p πρωτόνιο Η διαθέσιµη ενέργεια είναι 7-8 TeV!!! (2010 2012) ή περίπου 7000 µάζες πρωτονίου Η τελική ενέργειά του θα είναι 14 TeV (2014) γ 23
Η δοµή του πρωτονίου Το πρωτόνιο δεν αποτελείται απλά από 3 κουάρκ (uud) Εκτός από αυτά τα 3 ( valence quarks) υπάρχει και µια «θάλασσα» από γκλουόνια και Ζευγάρια κουάρκ αντικουάρκ Χρειάζονται οι Συναρτήσεις Πυκνότητας των Παρτονίων Parton Density Functions (δεν είναι γνωστές µε ακρίβεια Και πρέπει να µετρηθούν και αυτές στις Ενέργειες του LHC) 24
25
Το Πείραµα CMS 26
Εγκάρσια τοµή του ανιχνευτή CMS Click on a particle type to visualise that particle in CMS Press escape to exit 27
Demokritos Participation in CMS at CERN Μία πραγµατική σύγκρουση Στον κέντρο του πειράµατος CMS 28
Κύριος Στόχος του LHC: Εξερεύνηση νέας κλίµακας Ενέργειας The Higgs Boson SUSY partners ΥΠΕΡΣΥΜΜΕΤΡΙΑ Σκοτεινή Ύλη Πολλές Διαστάσεις q-g plasma Tiny Black Holes SM(t,b, QCD,E/W) 29!!! UNEXPECTED!!!
2010: Re-discovered the Standard Model at 7TeV J. Pivarski 30
Πρώτες συγκρούσεις στα 7 TeV στο CMS 30 Μαρτίου 2010 31
Z e + e observation #of candidate = 18 #of expected signal = 19 #of expected background = 0.8 52 nb -1 Z ee candidate 32
2011 2012 Έρευνα για Higgs Παραγωγή του Higgs στο LHC 33
Για κάθε µάζα π.χ. M H = 125 GeV, γνωρίζουµε ακριβώς 16/3/2018 Το σχετικό ποσοστό Θ. Γέραλης των διαφόρων τρόπων διάσπασής του 34
Η ανακάλυψη του Σωµατιδίου Higgs: Διάσπαση του Higgs σε δύο φωτόνια Το Higgs έχει µάζα: όσο περιπου ένας Πυρήνας Καισίου δηλ ~125 GeV Άτοµο Καισίου: 55 ηλεκτρόνια 35
Η ανακάλυψη του Σωµατιδίου Higgs Higgs à ZZ à (e - e + ) (µ - µ + ) Higgs 36
Higgs à ZZ à (ee) (μμ) 37
Higgs à ZZ à (µµ) (µµ) 38
Higgs à ZZ à (ee) (ee) 39
Θεµελιώδη ερωτήµατα Είναι τα µικρότερα σωµατίδια που γνωρίζουµε στ αλήθεια στοιχειώδη Σύνθετα quarks? Leptons? Πώς συνδέεται η ύλη µεταξύ της Αλληλεπιδράσεις - Ενοποίηση; Ποια είναι η προέλευση της µάζας; Υπάρχουν µόνο τρεις χωρικές διαστάσεις; Πού χάθηκε η αντιύλη; Πού βρίσκεται η υπόλοιπη ύλη του σύµπαντος (Σκοτεινή Ύλη); Γιατί η βαρύτητα είναι τόσο αδύναµη σε σχέση µε τις άλλες δυνάµεις; Γιατί υπάρχουν τρεις οικογένειες σωµατιδίων; Γιατί υπάρχει αυτή η ιεραρχία στις µάζες;? 40