Bevezetés a részecske fizikába

Bevezetés a részecske fizikába

Kölcsönhatások és azok jellemzése Kölcsönhatás Erősség Erős 1 Elektromágnes 1 / 137 10-2 Gyenge 10-12 Gravitációs 10-44

Erős kölcsönhatás Közvetítő részecske: gluonok Hatótávolság: 10-15 m Nukleonokat (p, n) tartja össze az atommagban A kvantum-színdinamika (QCD) írja le Olyan részecskékre hat, melyek színtöltés hordoznak: kvarok és gluonok Yukava- potenciál: 1 / r e- μr / r Források: Barionok

Elektromágneses és gravitációs k.h. Források: Töltött részecskék Közvetítő: Fotonok Források: tömeggel rendelkező részecskék Közvetítő: graviton? Hatótávolság: 1 / r, végtelen

Gyengekölcsönhatás Közvetítő részecskék: W- és Z-bozonok β- és a szabad n 0 valamint egyes atomokban a p+ és n 0 bomlását okozza. Ez az egyedüli kölcsönhatás, amelyben a neutrínó részt vesz

Részecskék jellemzése,osztályozása Fizika tulajdonságok: Tömeg, Spin, Mágneses dipólmomentum, Izospin, Hipertöltés, Bariontöltés, Lepton töltés Osztályozás: Foton, Leptonok, Hadronok (Mezonok, Nukleonok, Hiperonok, Mezon- és barion rezonanciák)

Fizikai tulajdonságok Tömeg: kg ev, E = mc 2, c=1, 1Mev = 1,6 10-13 J Spin: Saját impulzus-momentum Egész: Bozonok Szimmetrikus hullámfüggvény Feles: Fermion Antiszimmetrikus hullámfüggvény Mágneses dipól-momentum: μ = g μ 0 l / h, μ 0 = eh / 2mc g: giromágneses faktor : g 0: semleges részecske g ±1: töltött részecske

Ritkaság: Számos részecske csak gyenge kölcsönhatással tud bomlani, pedig látszólag semmi oka nincs annak, hogy ne tudjon er os kölcsönhatással bomlani. Az ilyen részecskék felfedezésük idejében ritkák voltak, innen ered a kvantumszám neve. A p + + π + Λ 0 + K 0 Erős k.h. p + + π + Λ 0 + π 0 Gyenge k.h., Ritka Jele: S példa S Λ = -1; S K =1; S π = S p = 0 Ha a ritkaság megmarad az erős kölcsönhatásban, akkor az első folyamatban megmarad a ritkaság, a másodikban azonban nem, azaz a gyenge kölcsönhatás sérti a ritkaságmegmaradást.

Izospin: Az erős kölcsönhatásban részt vevő részecskék (hadronok) érdekes csoportokat alkotnak, melyeknek tagjai igen hasonlítanak egymásra, és az erős kölcsönhatás szempontjából egyformán. viselkednek. Ilyen csoportok a (p; n), (π+; π 0; π-), (Σ +; Σ 0; Σ-). Ezek a csoportok a spin kvantumszámhoz hasonlóan jellemezhetők az I izospin kvantumszámmal, és annak 3. irányú komponensével (I3). Egy csoportban 2I + 1 elem található, és az I3 lehetséges értékei 1-el változnak. A (p; n) ennek alapján egy I = 1/2 csoportot alkotnak, I3 = ±1/2 értékkel.

Barion töltés: A proton nem bomlik el a tapasztalat szerint semmilyen kölcsönhatással, amiért valamilyen megmaradási tétel felelős. A hozzá tartozó megmaradó mennyiséget barion töltésnek (B) nevezték el, az erős kölcsönhatásban résztvevő anyagi fermionok rendelkeznek pozitív bariontöltéssel, antirészecskéig negatív töltéssel. Lepton töltés: A részecskék egy csoportja (a könnyű fermionok: elektron, müon, tau) minden kölcsönhatásban párosan vesznek részt, ami arra utal, hogy ezek rendelkeznek egy megmaradó kvantumszámmal, ez a leptonszám (L). Az antirészecskék negatív leptonszámmal rendelkeznek. Csak az e- családba tartozó részecskéknek van. Marx György fedezte fel 1952-ben. n p + + e - + v e B: 1 = 1 + 0 + 0 L: 0 = 0 + 1 1 Hiper töltés: Y = B + S = 2 (Q I 3 )

Részecskék osztályozása

Foton A kvantált elektromágneses mező gerjesztésének kvantuma. Az elektromágneses jelenségekért felelős elemi részecske M nyug = 0, c = áll.?, Q = 0, nem bomlik spontán módon Keletkezése: Töltésgyorsítás, Gerjesztés, Részecske antirészecske találkozás Egy módon "bomlik": anyagban, belső konverzióval, részecske-antirészecske párra. Virtuális foton: Két e - kölcsön hat egymással, virtuális foton cserélődik ki közöttük. m vf 0. Rövid élettartamú. Minél rövidebb az élettartama, annál nagyobb lehet ez a tömeg. A mai nagy gyorsítókkal a p + tömegének százszorosánál nagyobb tömegű virtuális fotont is sikerült előállítani.

Leptonok 1. Olyan elemi részecskék, amelyek nem vesznek részt az erős kölcsönhatásban (kvarkok), és nem is közvetítenek kölcsönhatást Elektron neutrínó: ν e, m < 2.5 (7.5) ev, Q = 0, Spin: ½, stabil Müon neutrínó: ν μ, m < 170 KeV, Q = 0, Spin: ½, stabil Tau neutrínó: ν τ, m < 18 MeV, Q = 0, Spin: ½, stabil

Leptonok 2. Elektron: m= 0.51 MeV, Q = -1 1,602 10 19 C, Spin: ½, Stabil Müon: m = 105 MeV, τ = 2,19 10-6 s, cτ = 658,654 m Spin: ½ Bomlása: μ e + ν e + ν μ (100%) Tau: m = 1776 MeV, τ = 2,9 10 15 s, cτ = 87,11 μm Bomlása: τ μ + ν μ + ν τ (17,36%) és még sok

Hadronok Olyan összetett szubatomi részecskék, amelyeknek összetevői kvarkok és gluonok Az erős kölcsönhatás kötött állapotai A kvarkok kötött állapotai Mezonok: Kvark + antikvark, Egész spinűek Barionok: 3 kvark Nukleonok: Hiperonok: Rezonok

Mezonok

Pion 1. π-mezon, Legkönnyebb mezon, Spin: 0 π+ : u + d, m = 139,6 MeV, Q = +1 π- : d + u, m = 139,6 MeV, Q = -1 τ = 2.6033 10 8 s ; cτ = 7.8045 m Mind az u és u, mind a d és d, együtt semleges, de mivel az előbbi párok azonos kvantumszámokkal rendelkeznek, csak a két pár szuperpozíciójaként található meg. A legalacsonyabb energiájú szuperpozíció a π 0, amely saját antirészecskéje

Pion 2. Fő bomlási mód (99,9877%): π + μ + + ν μ ; π - μ - + ν μ 2. leggyakoribb bomlás (0,0123%) π + e + + ν e ; π - e - + ν e

Pion 3. π 0 m = 135 MeV, Élettartam: 8 x 10-17 s ; cτ = 25.1 nm π 0 2γ (98,798%) ; π 0 γ + e + + e - (1,198%) Kvark összetétele: (uu dd) / 2 Az élettartamuk azért ennyire eltérő, mert a töltött pionok bomlását a gyenge kölcsönhatás, a semlegesét az elektromágneses kölcsönhatás hozza létre. A π 0 részecske sokkal nehezebben megfigyelhető, mint a π ± ; mivel elektromosan semleges nem hagy nyomot az emulzióban. A π 0 részecskét 1950-ben a bomlástermékei révén találták meg.

Kaon 1. K mezon m = 493,8 MeV, Spin = 0 K + = u + s ; τ = 1.2380 10 8 s; cτ = 3.712 m, Q = +1 I = ½, S=1, J =0- Bomlási módok Hadron: K + π + + π 0 (20,66%); K + 2π + + π 0 (5,59%) Lepton: K + μ + + ν μ (63,55%); K + e + + ν e (1,58%) Lepton és semi lepton fotonnal : K + μ + + ν μ + γ Hadron fotonnal: K + π + + π 0 + γ

Kaon 2. K - = u + s τ = 1.2380 10 8 s; cτ = 3.712 m, Q = -1 Bomlási módok: Hasonló a K- - hoz Hadron fotonnal: K ± π + + e + + e + γ K 0 = d + s Élettartam: 9 x 10-11 s m = 497,614 MeV Bomlási mód: K 0 π - + π

Kaon 3. K Short: τ = 8,9 x 10-11 s, cτ = 2.6842 cm m = 497, 614 MeV KS = (ds sd )/ 2 Bomlások Hadron 2π 0 (30,69%); π + + π - (69,2%); π + + π - + π 0 Foton: π + + π - + γ K Long: τ = 5,116 x 10-8 s, cτ = 15.34 m m = 497, 614 MeV KL = (ds + sd )/ 2 Bomlások : K L π + + π - + π 0

D - mezonok D + = cd, D 0 = cu, D 0 = cu, D - = cd D± : m = 1869 MeV τ = 1,040 10 15 s ; cτ = 311.8 μm D0: m = 1864 MeV τ = 410.1 10 15 s ; cτ = 122.9 μm D+ bomlások: Lepton: e + + ν e, μ + + ν μ ; τ + + ν τ Hadron: K S 0 + π + (1,5%); K L 0 + π + (1,5%) Pion: π + + π - ; 2π + + π -

J/ψ(1S) m = 3096.916 MeV cc Full width Γ = 92.9 ± 2.8 kev Bomlása: hadronokra (87.7%) virtuális γ (13,5%), ggg (64.1%), γ g g (8,8%) hadron rezonanciákra (1,69%) ρπ,

η (Éta) m = 547.853 MeV Bomlása: Természetes: (71,9%)η 2γ(39,91%), 3π 0 (32,57%) Töltött: (28,1%) η π + + π + π 0 (22,74%), π + π γ (4,6%) ρ (700) részecske m = 775.49 Élettartam 125 s Bomlása: ρ π + π (100%)

ω(782) omega mezon m = 782 MeV Élettartam: 11,4s Bomlása: ω π + + π + π 0 (89,2%), π 0 + γ (8.28%), π + + π (1,53%)

Barionok

Proton m = 938 MeV, Stabil, Q = +1 (1,602 x 10-19 C) Spin: ½ (fermion), p = uud I = ½ P+ = uud, ezen kívül gluonok és tovább rövid élettartamú kvarok. Tömege jóval nagyobb, mint a vegyértékkvarkok össztömege. Bomlások?: Antilepton és mezon: p e + + π ; e + + η; μ + + η Lepton és mezon: p e + 2π + Antilepton és foton: e + + γ 3 lepton: e + + e + + e -

Neutron m = 939 MeV, Spin = ½, I = ½ (fermion), Q=0 n 0 = udd Élettartam atommagon kívül: 886s (15 perc) n 0 p + + e - + ν e + 0,78 MeV τ = 885.7 ± 0.8 s, cτ = 2.655 10 8 km Bomlását a gyenge kölcsönhatás okozza

Delta barionok m = 1232 MeV, τ = 6 x 10-24 s, S=0, I = 3/2 Δ++ = uuu, Bomlása: π + + p Δ+ = uud, Bomlása: π + + n vagy π 0 + p Δ0 = udd, Bomlása: π 0 + n vagy π - + p Δ = ddd, Bomlása: π - + n

Λ barion m = 1115 MeV, S = -1, I =0 τ = 2.631 x 10-10 s, cτ = 7.89 cm uds Bomlásai: p + π - (63,9%) n + π 0 (35.8%) n + γ ; p + π - + γ ; p + e + ν e (<0.001%)

Σ barionok 1. S = -1, I = 1 Σ+ : m = 1189 MeV τ = 8.018 10 10 s, cτ = 2.404 cm uus Σ0 : m = 1192 MeV τ = 7.4 10 20 s, cτ = 2.22 10 11 m uds Σ : m = 1197 MeV τ = 1.479 10 10 s, cτ = 4.434 cm dds

Σ barionok 2. Bomlások: Σ + p + π 0 (51.57%), n + π + (48,31%) p + γ, n + π +, Λ + e + + ν e (<0.001%) Σ 0 Λ 0 + γ (100%) Σ n + π (99.8%), n + π + γ (<0.001%)

Ξ (Xi) barionok S = 2, I = ½ Ξ 0 : m = 1314 MeV, τ = 2.90 10 10 s, cτ = 8.71 cm Ξ 0 =uss Bomlása: Ξ 0 Λ 0 + π 0 (99,5%), Λγ (0.001%) Ξ - : Ξ - =dss m = 1321MeV, τ = 1.639 10 10 s, cτ = 4.91 cm Bomlása: Ξ - Λ 0 + π 0 (99,887 %), Σ γ (0.0001%)

Ω barion S = -3, I = 0 sss m = 1672.45 MeV ; τ = 8,21 10 11 s cτ = 2.461 cm Bomlása: Ω Λ 0 + K (67.8%), Ξ 0 + π (23,6%) Ξ + π 0 (8,6%) Ξ + π + + π (<0.001%)

Barion-oktett

Mezon -nonett

VÉGE