Fyzika elementárnych častícFyzika elementárnych častíc

1. z čoho sa skladá svet1. z čoho sa skladá svet

Martin Mojžiš

Program pre učiteľov fyziky z členských štátov CERNuProgram pre učiteľov fyziky z členských štátov CERNu

Z čoho sa skladá svetZ čoho sa skladá svet

a) čo sú elementárne častice a) čo sú elementárne častice

b) ako medzi sebou interagujúb) ako medzi sebou interagujú

c) akým spôsobom sa skladajú na svetc) akým spôsobom sa skladajú na svet

čo sú elementárne častice čo sú elementárne častice

elementárne časticeelementárne častice

elementárne fermiónyelementárne fermióny• leptónyleptóny• kvarkykvarky

elementárne bozónyelementárne bozóny• fotónfotón• gluóngluón• W a Z bozónW a Z bozón• gravitón (?)gravitón (?)• Higgsov bozónHiggsov bozón

neelementárne časticeneelementárne častice: : protón, neutrón, pión, ...protón, neutrón, pión, ...

volajú sa hadróny, skladajú sa z kvarkovvolajú sa hadróny, skladajú sa z kvarkov

elementárne fermiónyelementárne fermióny

elektrónelektrón miónmión tautau

e-e-neutrínoneutríno

μμ--neutrínoneutríno

ττ--neutrínoneutríno

upup charmcharm toptop

downdown strangestrange bottombottom

leptó

ny

leptó

ny

kvark

ykvark

y

1. rodina1. rodina 2. rodina2. rodina 3. rodina3. rodina

elementárne bozónyelementárne bozóny

fotónfotón elektromagnetickéelektromagnetické

gluóngluón silné jadrovésilné jadrové

W a Z bozónW a Z bozón slabé jadrovéslabé jadrové

gravitóngravitón gravitačnégravitačné

Higgsov bozónHiggsov bozón spontánny narušiteľspontánny narušiteľ

int e

rakc

i ein

tera

kcie

Nobelove cenyNobelove ceny

elektrónelektrón miónmión tautau

e-e-neutrínoneutríno

μμ--neutrínoneutríno

ττ--neutrínoneutríno

upup charmcharm toptop

downdown strangestrange bottombottom

fotón

gluón

W a Z

J.J.Thomson

FriedmanKendallTaylor

M.Gell-Mann

A.EinsteinA.Compton

Richter, Ting

Glashow,Weinberg,SalamRubbia,van der Meer

’t Hooft, Veltman

Ledermann Schwartz

Steinberger

M.Perl

F.Reines

Gross,Wilczek,Politzer

KobayashiMaskawa

antičastice• ku každej elementárnej častici existuje antičastica

• častica a antičastica majú rovnakú hmotnosť, spin, …

• častica a antičastica majú opačný elektrický náboj, …

elektrón elektrón pozitrónpozitrón

neutrínoneutríno anti-anti-neutrínoneutríno

upup anti-upanti-up

downdown anti-downanti-down

• ďalšie rodiny analogicky

• W+ je antičastica k W–

• fotón, gluón, Z, Higgs aj gravitón sú sami sebe antičastice

C.Anderson

E.SegrèO.Chamberlain

ako elementárne časticeako elementárne časticemedzi sebou interagujú medzi sebou interagujú

interakcie s fotónominterakcie s fotónom

eeelektrónelektrón

μμmiónmión

ττ

tautau

ννee

e-neutrínoe-neutríno

ννμμ

μμ-neutríno-neutríno

ννττ

ττ-neutríno-neutríno

uuupup

cc

charmcharm

tt

toptop

dd

downdown

sssstrangetrange

bbbottombottom

QQ

––11

00

2/32/3

––1/31/3

±±11 W W ±±

interakcie s gluónominterakcie s gluónom

eeelektrónelektrón

μμmiónmión

ττ

tautau

ννee

e-neutrínoe-neutríno

ννμμ

μμ-neutríno-neutríno

ννττ

ττ-neutríno-neutríno

u u uu uuupup

c c cc ccccharmharm

t t tt tt

toptop

d d dd dd

downdown

s s ss sssstrangetrange

b b bb bbbottombottom

colorcolor

interakcie s W a Z bozónominterakcie s W a Z bozónom

ee μμ ττ

ννee ννμμ ννττ

uu cc tt

d’d’ s’s’ b’b’

W W ±±W W ±±W W ±±

W W ±±W W ±±W W ±±

ZZ00

ZZ00

ZZ00

ZZ00

interakcie aj s W, Z a H

interakcie s gravitónominterakcie s gravitónom

eeeelektrónlektrón

μμmiónmión

ττ

tautau

ννeee-neutrínoe-neutríno

ννμμ

μμ-neutríno-neutríno

ννττ

ττ-neutríno-neutríno

uuuupp

cc

charmcharm

tt

toptop

dd

ddownown

ssstrangestrange

bbbottombottom

11

1100

2020

< < 1010-5-5

200200 35003500

< < 0.50.5 < < 6060

26002600

400400 90009000

350000350000

W W ±± 160000 160000 ZZ00 180000 180000

mm

interakcie s Higgsominterakcie s Higgsom

eeeelektrónlektrón

μμmiónmión

ττ

tautau

ννeee-neutrínoe-neutríno

ννμμ

μμ-neutríno-neutríno

ννττ

ττ-neutríno-neutríno

uuuupp

cc

charmcharm

tt

toptop

dd

ddownown

ssstrangestrange

bbbottombottom

11

1100

2020

< < 1010-5-5

200200 35003500

< < 0.50.5 < < 6060

26002600

400400 90009000

350000350000

W W ±±

160000 160000

čím silnejšia interakcia, tým väčšia hmotnosť, a naopakčím silnejšia interakcia, tým väčšia hmotnosť, a naopak

ZZ00

180000 180000

ako sa elementárne časticeako sa elementárne časticeskladajú na svet skladajú na svet

svet ako stavebnicasvet ako stavebnicanukleónynukleóny

uu

dprotón

ud

d

neutrón

kto ich drží pokope?kto ich drží pokope?

ggluónyluóny

aká je farba nukleónovaká je farba nukleónov

bielabiela

! obrázky sú zavádzajúce, tvrdenia zjednodušujúce a farba nie je farba !

svet ako stavebnicasvet ako stavebnicajadrájadrá

deuterón

jadro hélia

kto ich drží pokope?kto ich drží pokope?

ggluóny luóny (v istom zmysle)(v istom zmysle)

ale veď sú bieleale veď sú biele

nevadí nevadí (farba je v nich)(farba je v nich)

! obrázky sú zavádzajúce, tvrdenia zjednodušujúce a farba nie je farba !

svet ako stavebnicasvet ako stavebnicaatómyatómy

kto ich drží pokope?kto ich drží pokope?

fotónyfotóny

aký je náboj atómovaký je náboj atómov

nulovýnulový

! obrázky sú strašne zavádzajúce, tvrdenia zjednodušujúce !

deuterón

elektrón

svet ako stavebnicasvet ako stavebnicamolekulymolekuly

kto ich drží pokope?kto ich drží pokope?

fotónyfotóny

ale veď sú neutrálneale veď sú neutrálne

nevadí nevadí (náboj je v nich)(náboj je v nich)

! obrázky sú strašne zavádzajúce, tvrdenia zjednodušujúce !

svet ako stavebnicasvet ako stavebnicaredukcionizmusredukcionizmus

• fyzika molekulárnej väzby chémia

• chémia makromolekúl biochémia

• biochémia bunky molekulárna biológia

• molekulárna biológia fyziológia, psychológia

• psychológia sociológia, ekonómia

• sociológia volebné preferencie na Slovensku

(až toto je nepochopiteľné)

akú úlohu má v stavebnici akú úlohu má v stavebnici neutrneutríínono??ββ-rádioaktivita-rádioaktivita

uu

d

protón

ud

d

neutrón

! obrázky sú zavádzajúce, tvrdenia zjednodušujúce a farba nie je farba !

d u + e + ννee elektrón

antineutríno

e

ννee

! obrázky sú zavádzajúce, tvrdenia zjednodušujúce a farba nie je farba !

d u + W u + e + ννee elektrón

antineutríno

e

ννee

protón neutrón

uu

d

ud

d

W

kto spôsobuje, že nedržia pokope?kto spôsobuje, že nedržia pokope?WW-bozón-bozón

je to W-bozónov nerozlučný kamarátje to W-bozónov nerozlučný kamaráta je to aj fotónov nerozlučný kamaráta je to aj fotónov nerozlučný kamarát

akú úlohu hrá v stavebnici akú úlohu hrá v stavebnici HH-bozón?-bozón?dáva všetkým časticiam hmotnostidáva všetkým časticiam hmotnosti

akú úlohu hrá v stavebnici gravitón?akú úlohu hrá v stavebnici gravitón?je to kľúčový hráč na vesmírnej škáleje to kľúčový hráč na vesmírnej škále

akú úlohu má v stavebnici akú úlohu má v stavebnici ZZ-bozón?-bozón?

akú úlohu hrá druhá a tretia rodina?akú úlohu hrá druhá a tretia rodina?nikto nevienikto nevie

mezóny

π pión

ρ ró-mezón

K kaón

J/Ψ džejpsaj

…

ale práve vďaka nim máme toľko neelementárnych častíc (hadrónov)

baryóny

p protón

n neutrón

Ω omega-hyperón

Λc lambda-čarm

…

qq

dddudu , ,

cc

sdsdsusu , , ,

qqq

uud

sss

udddddudu , ,

udc

confinement(uväznenie kvarkov)

• kvarky (ani gluóny) nemôžu existovať voľne

• sú uväznené v hadrónoch

• hadróny sú viazané stavy kvarkov a gluónov

• vypočítať struktúru hadrónov z kvarkov nevieme

• pre teóriu je prirodzený jazyk kvarkov

• pre experiment je prirodzený jazyk hadrónov

• a to život veľmi komplikuje (čo je fajn)

koniec prvej častikoniec prvej časti