Útban a Standard Modell felé

Átírás

1 Útban a Standard Modell felé Mag és részecskefizika 4. előadás március 10.

2 Amiről eddig tanultunk Hadronok: kvarkok kötött állapotai Barionok (qqq), anti-barionok (qqq), mezonok (qq) Rezonanciák felfedezése (1946-tól, kozmikus sugárzás, részecskegyorsítók) Kvarkmodell (1964 Gell-Mann, Zweig) Mélyen rugalmatlan e-n szórás (1968 MIT-SLAC, Friedman) à proton, neutron szerkezet Elektron és társai Anti-elektron ( Dirac, 1932 Anderson) : pozitron Mezotron (1936 Anderson, Neddermeyer, közepes m e < m < m p tömegű) Yukawa magerő közvetítő pionja? (1947) Elektron nehezebb testvére: müon

3 Ugorjunk vissza az időben Dirac-egyenlet antirészecskét jósol ( ) Pozitron (1932 Anderson) A magerő rövid hatótávolságú: közvetítő részecskéje az elektronnál nehezebb, a protonnál könnyebb (1934 Yukawa) Mezotron (1936 Anderson, NedderMeyer) Pí-mezonok, avagy pionok (1947 Powell) A béta-bomlásban nem marad meg az energia (1931 Pauli) Láthatatlan, új részecske: neutrínó (1954 Reines, Cowan)

4 An#részecskék P. A. M. Dirac (1933 Nobel-díj) Dirac-egyenlet (1928): az elektron hullámfüggvényének rela#visz#kus mozgásegyenlete Megjósolta az an#részecskék létezését elméle# (matema#kai) alapokon MegalkoOa a modern kvantummechanikát A kvantum-elektrodinamika (QED) atyja Mágneses monopólus és elektromos töltés kvantumának kapcsolata (jóslat) Wigner Jenő sógora volt

5 Dirac-egyenlet (1928) Első elméle# eredmény, amely a kvantummechanikával és a speciális rela#vitáselméleoel is összhangban volt A H színképvonalainak teljes és pontos értelmezését adta Probléma: a Schrödinger-egyenlet NINCS összhangban a speciális rela#vitáselméleoel: p 2 /2m = E Rela#visz#kus sebességeknél a teljes energia így adható meg: ϕ rela#visz#kus skalár: komplex szám, amelynek a számszerű értéke minden vonatkoztatási rendszerben ugyanaz Másodfokú fokú deriváltak jelennek meg a térben és időben: megoldáshoz a kezdeti hfv és deriváltja is kell! Elsőfokú egyenlet kell, a kezdőfeltétel nem lehetett túlságosan tetszőleges, hiszen a hullámfv valószínűségsűrűséget kell, hogy jelentsen. Beírva az operátorokat: E=

6 Dirac-egyenlet 2 Vegyük a hullámoperátor gyökét,hogy elsőfokú legyen az egyenlet: A kereszttagoknak el kell tűnni, ha beszorzunk vagyis ez kell: A feltétel teljesíthető, ha A,B,C,D mátrixok! Azaz a hfv több komponensű! Ekkor viszont a fenti hullámegyenlet négyzetgyöke : A Dirac-egyenlet:

7 Dirac-egyenlet Minimum 4 komponensre van szükség a megfelelő tulajdonságú rendszer leírásához à a hullámfgv. 4 komponensű Spin leírásához (Pauli fenomenológiai elmélete) csak 2 komponens kell! IO mind a 4 komponens kielégí# a rela#visz#kus energia-impulzus relációt Négy komponens, két feles spinű részecskét ír le (elektron és. an#elektron!) α, β: 4x4-es önadjungált mátrixok, ádrható a Dirac-egyenlet ilyen formába: Ugyanez más formában: Elsőfokú egyenlet! Jelentősége: megjósolja a pozitron (antielektron) létezését a felfedezése előtt!

8 Dirac-egyenlet kovariáns formája Vezessünk be új mátrixokat: Ekkor az eredeti Dirac-egyenlet átírható így: Ez a kovariáns alak, látszik hogy az idő és térkoordináták teljesen egyenrangúak. A mátrixok antikommutálnak: σ i -k a Pauli-mátrixok:

9 A Dirac-tenger (1930) A vákuum negadv energiájú részecskékkel van tele A pozitron a Dirac-tengerben egy lyuknak tekinthető. Olyan, mintha pozidv töltése lenne Egy lyuk és egy elektron megsemmisíthe# egymást: annihiláció A részecskeszám nem marad meg A mai kvantumtérelmélet (QFT) már nem teszi szükségessé a tenger feltételezését, a pozitron is valódi részecske Dirac: lyuk = proton Oppenheimer: nem lehet, ui. a H-atom túl gyorsan megsemmisülne Dirac, 1931: léteznie kell egy pozidv töltésű, de az elektronnal egyező tömegű részecskének Kísérle# bizonyíték egy évvel később m c + p c = E 2

10 A béta-bomlás energiaspektruma Béta-bomló atommagok vizsgálata: 40 K, 14 C, 3 H, 214 Bi... e/m meghatározás à a keletkező részecske egy elektron az elektron energia mérése (folyadékszcintillátor, mágneses spektrométer) à folytonos spektrum Magyarázat: Nem kéttest-bomlás! A B + e + Lendület megmaradás: kezdetben 0, végén kéttest-bomlás esetén: p B =p e de ellentétes irányban Q=p 2 /2m B +p 2 /2m e ebből p adódik, és E e kiszámolható, adott érték. Ellentmond a megfigyelésnek. Perdület megmaradás: Ismerve a spineket (1925 Uchlenbeck) 14 C 14 N+e esetén spin: 0 1+1/2: nem lehetséges Nem csak az energia hiányzik, a perdület is! Wolfgang Pauli 1931: új részecske keletkezik, ami nem hat kölcsön a detektorokkal: neutrínó

11

12

13 A Szalay Csikai-kísérlet A neutrínó hűlt helye, ködkamrafelvétel, Debrecen, 1957 Vastag nyom lítium, vékony az elektron, az összlendület nem 0 Kell, hogy legyen egy láthatatlan részecske is!

14

15 Hány neutrínó van? Első lépés β -bomlás _ 40 K 40 Ca+e + ν anti-elektronneutrínó β + -bomlás 19 F 19 O + e + + ν Ugyanaz a részecske keletkezik-e a pozitronnal, mint az elektronnal? Nem! Az egyik átalakítja a protont neutronná, a másik nem! (Reines-Cowan, Davis) Kísérleti tapasztalat: elektronnal mindig az egyik neutrínó keletkezik, a pozitronnal mindig a másik, sose az egyik. Ezt törvénnyel fejezzük ki: megmarad a leptonszám, a többi lehetséges de nem megvalósuló reakciót ez a megmaradási törvény tiltja meg. _ e e + ν ν leptonszám:

16 Béta-bomlás fajtái Negatív béta-bomlás: _ n p + e + ν e Pozitív béta-bomlás: energia + p n + e + + ν e Elektronbefogás: energia + p + e n + ν e Megmaradó mennyiségek: leptonszám, töltés, barionszám (azaz nukleonszám), spin, energia, impulzus

17 Neutrínó-megfigyelés buborékkamrával 1970 Zero Gradient Synchrotron's -12 foot bubble chamber p(uud) + v à p(uud) + µ - + π +

18 Pi-mezon (pion) bomlási lánc mc MeV keletkezés: protonok ütközése atommagokkal π + µ + π µ π - µ - e + e - hamar elbomlik müonra, a pálya megtörik: láthatatlan vagy semleges részecskék is vannak! Pireneusok

19 Leptonszám Pi mezon bomlásakor az impulzusmegmaradás sérülni látszik semleges részecske ν µ (müonneutrínó) _ keletkezik π + µ + + ν µ π - µ - + ν µ A két neutrínó nem azonos: leptonszám megmaradás törvénye A müon is bomlik: _ µ - e - + ν e + ν µ Elektronikus és müonikus leptonszám is van Külön külön megmaradnak!

20 Pi-mezonok Gyorsítókban is könnyen elő lehet állítani, ha a felgyorsított proton kinetikus energiája nagyobb 200 MeV-nél Elsőként 1948-ban Berkeley-i ciklotronban Semleges pi-mezon felfedezése (izospin=1, T z =-1,0,1: kell lennie egy semlegesnek is ) Tömege kb. egyforma a töltött pion tömegével (hasonlóan a neutron és a proton tömegéhez): töltöttek: MeV, semleges: MeV Yukawa magerők közvetítője, p a magerők közvetítő részecske modellje (minden kölcsönhatásra alkalmas) π + n

21 A pí-mezon jóslat 1935 Hideki Yukawa (Nobel-díj 1949) Az erős kölcsönhatás hatótávolsága kicsi Ezt az atommag méretéből lehet látni Yukawa-potenciál: tömeges közvetítő részecske esetén mcr /! 2 e V ( r) = g r m=0 határeset: Coulomb A közvetítő részecske tömege 100 MeV körüli kell hogy legyen a Heisenberg-féle határozatlansági relációt használva Hatótávolság a határozatlansági relációból: d = ct = hc/δe = hc/mc 2 = 1,3 fm, ha mc 2 = 150 MeV Az egy évvel később felfedezett müont hitték a megjósolt pionnak (amíg ki nem derült hogy másféle bomlásai vannak, és nem is vesz részt az erős kölcsönhatásban)

22 Yukawa potenciál

23 Semleges pion felfedezése: 1950 Yukawa: a proton-proton vonzásért a semleges pion a felelős. 1948, Oppenheimer: kozmikus sugárzás soft component : lassú elektronok és fotonok is vannak, ezek a π 0 bomlásából származnak 1949, Berkeley gyorsító: protonnyaláb céltárgyra ütközött, 175 MeV proton-energia esetén hirtelen megnőtt a fotonok által keltett elektron-pozitron párok száma. 1950: Berkeley, kétfotonos bomlásának megfigyelése (felfedezés) részecskegyorsítóban: elektronszinktrotronból származó röntgensugárzás céltárgyon pionokat keltett, amelyek két fotonra bomlottak: ezeket koincidenciaméréssel találták meg. Az első instabil részecske gyorsítós felfedezése. Később kozmikus sugárzásban is megfigyelték (Bristol)

24 Semleges pion felfedezés, Steinberger, 1950

25 Semleges pion újrafelfedezése az LHC-n Detektor kalibrációhoz hasznos eszköz

26 Az elemi részecskék 3 részecskecsalád: (u,d,ν e,e) (c,s,ν µ,µ) (t,b,ν τ,τ) Kvarkok íze: u, d, c, s, t, b Leptonok íze: e, µ, τ ν e, ν µ, ν τ Q 2/3-1/3 0-1

27 Átalakulhatnak-e egymásba? kvarkok t b c s u spontán az idő fejlődésével megfelelő reakciókban, az íz változhat leptonok τ µ e az elektron nem bomlik el, pozitron melleo mindig keletkezik egy e a megfelelő neutrínók mindig keletkeznek: leptonszám-megmaradás A kvarkok száma megmarad-e? _ mezonok K µ +ν µ, π µ +ν µ a kvark-an#kvark párok eltűnhetnek leptonokká barionok Ω Ξ Λ n p protonbomlást, barion mezon bomlást nem figyeltek meg an#proton melleo mindig keletkezeo egy proton is BARIONSZÁM-megmaradás: a kvarkok barionszáma 1/3, an#kvarkoké 1/3 _

28 A kvarkok színe A részecskék fehérek

29 A mikrorészecskék színösszetétele barionok PKZ antibarionok CSM mezonok PC, KS, ZM A részecskékben a színek összege FEHÉR

30 Hány elemi részecske van? Kvarkok: u,d,s,c,t,b u,d,s,c,t,b u,d,s,c,t,b Leptonok: e, µ, τ, ν e, ν µ, ν τ Ezek an#részecskéi Helicitás kvantumszám: + vagy Helicitás: spin és a lendület párhuzamos vagy ellentétes 18 db 6 db +24 db +42 db Neutrínók: mindig bal-kezes neutrínó, jobb-kezes an#neutrínó Maximális paritássértés Közvedtő részecskék: foton, 8 gluon, W +, W -, Z Higgs Graviton? Összesen: = db 1 db

31 Kölcsönhatások 1. Gravitáció 2. Elektromágneses kölcsönhatás 3. Gyenge kölcsönhatás kvarkok ízét változtatja béta-bomlásnál részletesebben vizsgáljuk 4. Erős kölcsönhatás kvarkok közöo hat, gluonok közved#k gluonok közöo hat kvarkbezárás 4+ Magerő (nukleáris kölcsönhatás) nukleonok közöo hat, színsemleges objektumok közved#k másodrendű erős kölcsönhatás Mint a Van-der-Waals kölcsönhatás az elektromos térnél

32 A kvarkok kölcsönhatása A két 2/3 töltésű u kvark nagyon taszítja egymást az EM kölcsönhatással Valami összetartja a protonban a kvarkokat: erős kölcsönhatás színek között hat (így a kvarkok között is) gluonok közvetítik a gluonok nem fehérek! átalakítják a kvarkok színét, és egymással is kölcsönhatnak q q q

33 A gluonok kölcsönhatása Erős kölcsönhatás : kvantumszíndinamika gluonok cseréje közben a szín megmarad! Igazi elmélet csoportelméleten alapul. Most szemléletesen nézzük! A színes 0 tömegű gluonok is gluont cserélnek, így hatnak kölcsön 8 gluon van, egyszerűsített képben 8 színük van: szín-antiszín keverék a színük PK vagy ZP KZ KP PZ ZP gluon kibocsátás / elnyelés színmegmaradás KZ = KP + PZ ZK+KP=ZP ZK KK, PP, ZZ gluonokból csak két lineáris kombináció van (szuperpozíciók) à 8 gluon

34 A kvark-an#kvark potenciál Szín-tér-cső Kvarkbezárás szabad kvarkot nem lehet létrehozni

35 EM analógia

36 2004-es Nobel-díj David J. Gross H. David Politzer Frank Wilczek Aszimptotikus szabadság: Nagy energiás ütközésekben a kvarkok szabadnak látszanak

37 Hogyan képzeljük el a kölcsönhatásokat? A kölcsönhatást közvetítő virtuális (nagyon rövid életttartamú) részecskék adják át egyik részecskétől a másikig az impulzust, a töltést, taszítás vonzás

38 Hogyan tartja össze a pion a nukleonokat az atommagban?

39 Hogyan tartja össze a pion a nukleonokat az atommagban? A kvark-modell ismeretében:

40 Feynman diagrammok Képi megjelenítése a fizikai folyamatot leíró matema#kai kifejezéseknek Minden részecskét más vonaldpus jelöl Szabad véggel rendelkező vonalak valódi, megfigyelhető részecskéket, egyik vertexből (részecskevonalak találkozási pontjából) a másikba futók virtuális részecskéket jelölnek Fermionoknál a részecskéket és an#-részecskéket a nyíl iránya különbözte# meg Minden vertexhez tartozik egy csatolási állandó Minden vertexben energia/impulzus-, impulzusmomentum-, valamint töltésmegmaradás áll fenn A Standard Modell alapegyenlete, ún. Lagrange függvénye írja le, milyen vertexek léteznek, milyen kölcsönhatások játszódhatnak le A részecske kvantumszámai (pl. töltései) P e- határozzák meg, mely kölcsönhatásban vesz részt ~g s P q- ~g ~g P g P e+ P q 41

41 Virtuális részecskék Csupán nagyon rövid ideig léteznek Nem köve#k a E 2 =p 2 c 2 +m 02 c 4 összefüggést de a megmaradási törvényeket betartják! Energiájuk bizonytalan a Heisenberg-féle határozatlansági törvény szerint: ΔE Δt > h/4π m=0 részecskék (pl. foton) virtuális formájának van tömege (a vákumtól kölcsönveo energiából) Közeli kapcsolatban állnak a kvantum fluktuáció fogalmával: tekinthetjük születésüket a kvantummechanikai mennyiségek várható érték körüli fluktuációjának következményeként m n = GeV erősen virtuális W bozon! m W ~ 80 GeV 42 m p = GeV

42 Hol vannak ezek az új nehezebb részecskék? Mit csinál a müon? Körülöttünk lévő anyag felépítéséhez nem igazán kellenek: az 1. család (u,d kvarkok, e, v e ) elég lenne Másodlagos kozmikus sugarakban, laboratóriumokban, van jelen a többi

43 Miért nem stabil a müon? Miért stabil az elektron? A megmaradási szabályokat betartva az elektron nem tud elbomlani, a legkönnyebb töltött részecske Müon részt vesz a gyenge nukleáris kölcsönhatásban és van fázistér a bomlásához: Virtuális W bozonon keresztül bomlik m W nagy (~80 m p ) à müon élettartama hosszú

44 Kölcsönhatás közvedtő bozonok (Fermion: feles-spin, bozon: egész-spin) γ,w ±, Z, gluonok: spin-1 45

45 Gluonok: 1979 Három-jet események bizonyítják a létét Elektron-pozitron ütközések, PETRA kísérletek, Hamburg antikvark gluon kvark jet kvark további részecskék gluon jet kvark jet további részecskék OPAL

46 Elemi részecskék Kvarkok" x3 (szín) u" up"" (fel)" c" charm" (bájos)" t" top" (felső)" H" HiggsI" bozon" Leptonok" d" down" (le)" e" elektron" s" strange" (furcsa)" μ" müon" b" bo=om" (alsó)"!" tau" x8 (szín) g" gluon" "" foton" KölcsönI" hatás" közveutő" mérték" bozonok" ν e" elektroni" neutrínó" ν μ" müoni" neutrínó" Fermionok" ν!" taui" neutrínó" x2 (részecske antirészecske) W" WIbozon" Z" ZIbozon" Bozonok"

47 Elemi részecskék SPIN Kvarkok" 1/2 Leptonok" 1/2 u" up"" (fel)" d" down" (le)" e" elektron" c" charm" (bájos)" s" strange" (furcsa)" μ" müon" t" top" (felső)" b" bo=om" (alsó)"!" tau" g" gluon" "" foton" 0 H" HiggsI" bozon" KölcsönI" hatás" közveutő" mérték" bozonok" 1 ν e" elektroni" neutrínó" ν μ" müoni" neutrínó" ν!" taui" neutrínó" W" WIbozon" Z" ZIbozon" Fermionok" Bozonok" s = 1/2,... s = 0, 1,...

48 Elemi részecskék ANYAG Kvarkok" Leptonok" u" up"" (fel)" d" down" (le)" e" elektron" ν e" elektroni" neutrínó" 3 család c" charm" (bájos)" s" strange" (furcsa)" μ" müon" ν μ" müoni" neutrínó" t" top" (felső)" b" bo=om" (alsó)"!" tau" ν!" taui" neutrínó" g" gluon" "" foton" H" HiggsI" bozon" KölcsönI" hatás" közveutő" mérték" bozonok" Fermionok" W" WIbozon" Z" ZIbozon" Bozonok"

49 Elemi részecskék Kvarkok" Leptonok" u" up"" (fel)" d" down" (le)" e" elektron" ν e" elektroni" neutrínó" c" charm" (bájos)" s" strange" (furcsa)" μ" müon" ν μ" müoni" neutrínó" t" top" (felső)" b" bo=om" (alsó)"!" tau" ν!" taui" neutrínó" Kölcsönhatások g" gluon" "" foton" H" HiggsI" bozon" KölcsönI" hatás" közveutő" mérték" bozonok" Fermionok" W" WIbozon" Z" ZIbozon" Bozonok" HTP2015 Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 50

50 Elemi részecskék Erős kölcsönhatás csak a kvarkokra hat, bezárja őket a hadronokba (színtöltés) Kvarkok" x3 (szín) Leptonok" u" up"" (fel)" d" down" (le)" e" elektron" ν e" elektroni" neutrínó" c" charm" (bájos)" s" strange" (furcsa)" μ" müon" ν μ" müoni" neutrínó" t" top" (felső)" b" bo=om" (alsó)"!" tau" ν!" taui" neutrínó" x8 (szín) g" gluon" "" foton" H" HiggsI" bozon" KölcsönI" hatás" közveutő" mérték" bozonok" Fermionok" W" WIbozon" Z" ZIbozon" Bozonok"

51 Elemi részecskék Elektromágneses kölcsönhatás az elektromosan töltött részecskékre hat Érdekes: Egy családon belül a töltésösszeg 0 Kvarkok" Leptonok" u" up"" (fel)" d" down" (le)" 2/3-1/3-1 e" elektron" c" charm" (bájos)" s" strange" (furcsa)" μ" müon" t" top" (felső)" b" bo=om" (alsó)"!" tau" g" gluon" 0 0 "" foton" H" HiggsI" bozon" 0 KölcsönI" hatás" közveutő" mérték" bozonok" 0 ν e" elektroni" neutrínó" ν μ" müoni" neutrínó" ν!" taui" neutrínó" ±1 W" WIbozon" 0 Z" ZIbozon" Fermionok" Bozonok"

52 Elemi részecskék Gyenge kölcsönhatás Kvarkok" Leptonok" u" up"" (fel)" d" down" (le)" e" elektron" ν e" elektroni" neutrínó" c" charm" (bájos)" s" strange" (furcsa)" μ" müon" ν μ" müoni" neutrínó" t" top" (felső)" b" bo=om" (alsó)"!" tau" ν!" taui" neutrínó" g" gluon" "" foton" H" HiggsI" bozon" KölcsönI" hatás" közveutő" mérték" bozonok" A neutrínók csupán ezt érzik, így nagyon nehéz őket detektálni. Fermionok" W" WIbozon" Z" ZIbozon" Bozonok"

53 Elemi részecskék Tömeg (GeV/c 2 ) Óriási tömeg tartomány legkönnyebb legnehezebb Kvarkok" Leptonok" 1/500 u" up"" (fel)" d" down" (le)" 1/ c" charm" (bájos)" s" strange" (furcsa)" 1/ e" μ" elektron" müon" ν e" ν μ" müoni" neutrínó" 173 t" top" (felső)" 4.6 b" bo=om" (alsó)"!" tau" elektroni" neutrínó" ν!" taui" neutrínó" 0 g" gluon" 0 "" foton" 125 H" HiggsI" bozon" KölcsönI" hatás" közveutő" mérték" bozonok" Neutrinó tömeg: m < 2 ev ~0 ~0 ~0 Fermionok" W" Z" WIbozon" ZIbozon" Bozonok"

54 Kvarkok, leptonok: összefoglalás Az 50-es / 60-as évek új részecske felfedezései elvezeoek a kvark-modell megszületéséhez (Murray Gell-Mann, George Zweig, 1964) A felfedezeo rezonanciák három kvark kombinációjából álltak elő: u, d, s à 3 kvark íz (angolul: flavour): SU(3) íz Ma már tudjuk, hogy nem csupán 3 kvark íz van, hanem 6: u, d, s, c, b, t Kvarkok: azon spin-1/2 elemi részecskék, amelyek részt vesznek az erős kölcsönhatásban Leptonok: azon spin-1/2 elemi részecskék, amelyek nem vesznek részt az erős kölcsönhatásban: e, μ, ν e, ν μ Az erős kölcsönhatás töltése: szín (angolul: color) à 3 kvark szín: SU(3) szín Színkeverés analógia: piros, kék, zöld; an#-színek: komplementer színek Kvarkoknak színe, an#-kvarkoknak an#-színe, a gluonnak (az erős kcsh. közvedtő bozonának) egy színe + egy an#-színe van Csak színtelen állapotok figyelhetőek meg szabadon à kvark-bezárás Nagy energián (mélyen rugalmatlan szórásban) a nukleonokon belül a kvarkok szabadnak látszanak à aszimpto#kus szabadság

55 Kölcsönhatási szabályok Energia, impulzus, impulzusmomentum megmaradás Elektromos töltés, színtöltés megmaradás Leptonszám megmaradás (leptonok +1, an#-leptonok 1) Barionszám megmaradás (a kvarkok +1/3, an#-kvarkok 1/3) MegengedeO bomlások a gyenge kcsh-sal, a W bozon közvedtésével: τ µ e t b c s u A megfigyelhető állapotok mindig színtelenek

56 Jet-ek (részecskezápor, hadronsugár) A kvarkok és gluonok nem repülhetnek ki egyedül az ütközési pontból HelyeOe felöltöznek, hadronizálódnak, további kvarkokkal és an#kvarkokkal Sok, majdnem egyirányba távozó hadront (bariont, mezont) látunk Sok pion lesz bennük, ez a legkönnyebb hadron Összenergiájuk a kezde# kvark vagy gluon energiájára jellemző

57 Hadronizáció Parton zápor Gluon felhasadás Színtelen hadronok megszületése Hadronok bomlása

58 Miből áll egy mikrorészecske? 1. Az elemi részecskék tömege Csupasz kvarktömeg (5-10 MeV) Hogyan lesz ebből 938 MeV?

59 Miből áll egy mikrorészecske? 2. kvarkok és gluonok egy részecskében Erősen kölcsönható anyag egy zsákban Erős kcsh bezáró kcsh EM kcsh, magerő nem bezáró kcsh (r nagy: lecseng)

60 Magerők és az erős kcsh. kapcsolata Különböző nukleonba bezárt kvarkok is cserélhetnek gluonokat, vagy színnel rendelkező részecskét Amikor elhagyja a nukleont az objektum, már csak fehér lehet: legkisebb ilyen: π-mezon Erős kcsh gluoncsere; Magerő - mezoncsere

61 Kvarkanyag Nyomás Hő (pionokat kelt) Kvark-gluon plazma Gáz állapot Folyékony állapot

62 Nehézion ütközések Lorentz-kontrakted magok ütközése Protonok és neutronok felolvadnak egy rövid pillanatra, felszabadítva az alkotó elemeik, a kvarkokat és a gluonokat A QGP részecskék ezreire bomlik

63 Atommagok megolvasztása Nehézion-ütközések, CERN LHC, november: Az ellentétes irányban kirepülő jet-ek közül az egyik rengeteg energiát veszít! Az erősen kölcsönható kvark-gluon plazma lefékezi Jet quenching Jet elfojtás

64 Erős kölcsönhatás Nukleonokat tartja össze az atommagban Kvarkokat tartja össze a nukleonban (Tömegtelen) gluonok közved#k, a gluon-kvark, gluon-an#kvark és gluongluon kh-on keresztül A Kvantumszíndinamika írja le (nem-abeli mértékelmélet, lokális SU(3) szimmetria ld. MSc.) Szín-bezárás: kvarkok közö erő nem csökken a távolsággal (10000 N) Szabad kvarkok nincsenek, helyeoe jet-ek (részecskesugarak). Színes objektumok: kvarkok, gluonok, an#kvarkok Részt vesznek benne: kvarkok, gluonok, hadronok (barionok: qqq, mezonok: qq) Az atommag tömegének nagy részét a QCD dinamika adja (nem az alkotóelemek tömege) A kvarkok nyugalmi tömege a proton tömegének mindössze 1%-a A fennmaradó tömeget a kvarkok kine#kus energiája és az azokat összekapcsoló gluon mezők energiája adja Csatolási állandó (kcsh erőssége) csökken az impulzusátadás függvényében. EmiaO: perturbációszámítás csak nagy energiájú folyamatokra

65 Erős kölcsönhatás csatolási állandója

66 Gyenge kölcsönhatás Radioak#vitásért és magfúzióért felelős (béta bomlás, Nap fúziós energiatermelése) Minden fermionra (1/2 spin) hat: kvarkok, elektron, müon neutrínók W ± (töltöo áram), Z 0 (semleges áram) bozonok közved#k Nagy tömegűek (80-90 GeV, Higgs mechanizmus miao) à Rövid hatótávolság Kvark ízváltásra is képes! (a többi kcsh. nem) Paritás és CP sértő! Nem hoz létre kötöo állapotot! Neutrínók csak ebben vesznek részt

67 Energia termelés a Napban

68 Elektromágneses kölcsönhatás (Tömegtelen) foton közved# Minden elektromosan töltöo részecske részt vesz benne A leggyakoribb módja részecskék detektálásának (ionizáció) Atomok, molekulák felépítése. Kémia. Atomfizika. Szilárdtes izika. Biológia. A speciális rela#vitáselmélet megszületéséhez vezeteo. Fénysebesség. Kvantumelektrodinamika (QED) írja le. Rela#visz#kus térelmélet. Legpontosabb jóslatokat ez adja. Kis csatolási állandó, perturbációszámítás jól működik. Feynman-diagramok, renormálás, kvantumtérelmélet io indultak útjukra.

69 Elektrogyenge kölcsönhatás Az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás egyesíteo elmélete. Nagy energián (100 GeV) illetve nagy hőmérsékleten (10 15 K) a két kh. egyesül Közved#k: W +,W -,W 0,B 0. Szimmetria spontán sérül (Higgs mechanizmus) kis energián (hőmérsékleten) A részecskefizikai Standard Modell része, a QCDvel együo

70 Gravitációs kölcsönhatás Csak vonzó lehet. Tömeges részecskék vesznek részt benne. Nagy méretű objektumokat tartja össze (Naprendszer, galaxisok, Föld, csillagok) Általános rela#vitáselmélet írja le, impulzus-energia tenzor Newton törvénye jó közelítés Kvantumtérelméle# leírásában a graviton közved#. Kis távolságskálákon (10-35 m) nem működik Theory of everything? Húr-elmélet? Gravitációs sugárzás direkt detektálásának bejelentése február, Nobel-díj esélyes! Akdv kutatási terület az ELTE-n: LIGO (Atomfizikai Tsz.)

71 Részecskék felfedezése detektálási technikák

72 A felfedezésekhez vezető út

73 Feladatok Tegyük fel, hogy van egy 6 MeV energiájú alfa-részecskéket sugárzó forrásunk. Mekkora a legkisebb távolság, amennyire megközelítheti az alfarészecske a céltárgynak használt 79 Au atommagot? Az es években sok mikrorészecskét a kozmikus sugárzás vizsgálatával fedeztek fel. Milyen folyamatokon keresztül keletkeznek pozitronok, müonok, pionok, kaonok a kozmikus sugárzásban? Rajzolja le kvark képben a következő folyamatot: K + p + K 0 + K + + Ω! A neutrínó megfigyelése hidrogén buborékkamrával: p + v à p + µ - + π + Írja le a folyamatot elemi részecskékkel! Milyen kölcsönhatáson keresztül bomlik el a töltött illetve a semleges pion? Hogyan utal erre az élettartamuk? Rajzolja le a folyamatokat! Egy 10 cm vastag folyékony hidrogén céltárgyba érkező nagy energiájú proton hány százalék valószínűséggel hat kölcsön a céltárgyban? A proton-proton hatáskeresztmetszetet tekintsük 50 mbarn-nak.