BEVEZETÉS A RÉSZECSKEFIZIKÁBA

BEVEZETÉS A RÉSZECSKEFIZIKÁBA Gabriella.Pasztor@cern.ch CERN Hungarian Teachers Programme 2015. augusztus 17-21. Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 1

PROGRAM Részecskefizika célja, eszközei Elemi részecskék és kölcsönhatásaik Szimmetriák a részecskefizikában Elemi részecskék tömege és a Higgs- bozon Neutrínók A Standard Modellen túl Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 2

1. RÉSZ Mit vizsgál a részecskefizika és milyen eszközökkel? Elemi részecskék és kölcsönhatásaik Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 3

A KÉRDÉS: MIK A VILÁGEGYETEM ELEMI ÉPÍTŐKÖVEI? Mik az elemi részecskék? A közöcük ható erők, kölcsönhatások? ~10-10 m ~10-14 m ~10-15 m Elemi részecske: Belső szerkezet nélküli. Nem feltétlenül stabil, elbomolhat más részecskékre. < 10-18 m e - kvark Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 4

A VÁLASZ: A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE Kvarkok" 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" g" gluon" "" foton" KölcsönI" hatás" közveutő" mérték" bozonok" ν e" elektroni" neutrínó" ν μ" müoni" neutrínó" Fermionok" ν!" taui" neutrínó" W" WIbozon" Z" ZIbozon" Bozonok" Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 5

A VÁLASZ: A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE A MATEMATIKA NYELVÉN L = 1 4 F µ a F aµ +i D + h.c. + i ij j + h.c. + D µ 2 V ( ) (Forces) (Erők) (Interacoons) (Kölcsönhatások) (Flavour) (Fermionok tömege) (EWSB) (Elektrogyenge szimmetriasértés) A Standard Modell Lagrange függvénye Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 6

A MEGISMERÉS ÚTJA Több mint 100 ötletekkel, elméletekkel és kísérletekkel teli év ~30 Nobel- díj Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 7

AMIT KÖZÉPISKOLÁBAN TANULUNK: AZ ATOM RÖVID TÖRTÉNETE ~10-10 m ~10-14 m ~10-15 m < 10-18 m e - kvark I.e. 6. évszázad, India I.e. 5. évszázad, Görögország, Leukipposz, majd i.e. 450, Démokritész 1805, John Dalton: modern atomelmélet 1827, Robert Brown: kis részecskék véletlenszerű mozgása folyadékban à 1905, Albert Einstein: molekulák lökdösik 1869, Dmitri Mengyelejev: kémiai elemek periódusos rendszere 1897, J.J. Thomson: katódsugárzás q/m mérése elektron, minden atom része 1909, Ernest Rutherford: α részecskék szórása vékony arany fólián atommag, az atom bolygórendszer modellje 1913, Frederick Soddy: izotópok 1913, Henry Moseley: atommag töltés = periódusos rendszerbeli pozíció (Antonius van den Broek hipotézise) 1919, Rutherford, Hidrogén atommag minden más atommag része, proton 1919, Francis William Aston: tömeg spektrométer, izotóp- tömeg egész- szám szabály 1932, James Chadwick: neutron 1913, Niels Bohr: atom model kvantált elektronpályákkal (színképvonalak) 1924, Louis de Broglie: részecske hullám kecősség 1926, Erwin Schrödinger: atom matemaokai modellje 3D elektron hullámokkal 1964, Murray Gell- Mann és George Zweig: kvarkok Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 8

AZ ATOM Nem méretarányos! Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 9

AZ ATOM Nem méretarányos! Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 10

Kineokus elmélet, Termodinamika Boltzmann Maxwell Newton 1895 1905 1975 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Részecskék e - μ - νe νµ τ - ντ ν mass e + p - Atom Atommag p + n Hadronok ( particle zoo )" u π d s Brown mozgás Terek Electromágneses Speciális relativitáselmélet Kvantum mechanika Hullám / részecske Fermionok / Bozonok Spin Antianyag c STANDARD MODELL b t QED GUT foton" Higgs W bozon Szuperszimmetria Szuperhúrok Fermi β-bomlás P, C, CP sértés W" Z" Gyenge Erős Radioaktivitás Elektrogyenge egyesítés 3 fermion család Yukawa π csere QCD szín gluon" Világegyetem Kozmikus sugarak Galaxisok; táguló világgegyetem Sötét anyag Kozmikus hácérsugárzás Kozmikus hácérsugárzás egyenetlenségei (COBE, WMAP) Sötét Energia (?) Általános relativitáselmélet Magfúzió Ősrobbanás ( Big bang ) Nukleoszintézis Infláció Technológia Detektor Geiger számláló Ködkamra Buborékkamra Ionizációs gázkamra Gyorsító Ciklotron Szinkrotron e + e - ütköztető Nyaláb hűtés Online számítógépek p + p - ütköztető Modern" detektorok" WWW GRID 2010 H Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába From Rolf Landua 11

KITÉRŐ: MÉRTÉKEGYSÉGEK Energia: 1 ev = 1.6 10-19 J (elektron által felvec energia, amint áthalad 1V potencialkülönbségen) Speciális relaovitáselmélet: E = mc 2 és E 2 =p 2 c 2 +m 02 c 4 Fénysebesség: c = 3 10 8 m/s 1 Mértékegységek: [m] = [p] = [E] = ev (vagy kev, MeV, GeV, TeV) Proton nyugalmi tömege: m p = 1.67 10-27 kg = 938 MeV/c 2 (vagy 938 MeV) Elektron nyugalmi tömege: m e = 511 kev/c 2 (vagy 511 kev) Heisenberg határozatlansági reláció: Δx Δp > h/4π, ΔE Δt > h/4π Planck állandó: h/2π 1.05 10-34 J s 6.6 10-16 ev s 1 p = 100 GeV/c impulzusú részecske ~10-18 m felbontással lát Elektromos töltés: proton töltése = 1 egység (1.6 10-19 Coulomb) Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 12

A FELFEDEZÉS MÓDSZEREI Szórás kísérletek (példa: atommag felfedezése) Következtetés a megfigyelt rendszerek tulajdonságaiból: tömeg, spin, élecartam, (példa: a kvark- modell megszületése) Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 13

RÉSZECSKE SZÓRÁS MINT MIKROSZKÓP: AZ ATOMMAG FELFEDEZÉSE Az eredmény értelmezése atommag elektron(felhő) Cél- tárgy ~1/8000 Detektor Részecske forrás Geiger- Marsden (Rutherford) kísérlet: az atommag felfedezése Eredeo kísérleo elrendezés Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 14

KÍSÉRLETI ADATOK RENDSZEREZÉSE: A KVARKOK FELFEDEZÉSE Mezonok: kvark anokvark pár A 1960- as évekre több száz erős kölcsönhatásban Barionok: három- kvark állapot résztvevő részecskét fedeztek fel ( részecske állatkert ) 1962, Murray Gell- Mann rendszerezi a részecskéket, bevezeo a ritkaság (strageness) kvantumszámot, és megjósolja az Ω - = (sss) létezését (1969, Nobel díj) Javasolja (George Zweiggel párhuzamosan), hogy a sok hadron egyszerűen felépíthető három elemi részecskéből, a kvarkokból 1964, Brookhaven, Ω - felfedezése a megjósolt tulajdonságokkal A modern kvark modell megszüleok Spin- 0 mezon oktec Nyolcas út q: elektromos töltés s: strange- kvark szám Spin- 1/2 baryon oktec Spin- 3/2 baryon dekuplec Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 15

A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE Az 1960-1970- es években dolgozták ki Egyesítec keretben írja le az anyag elemi alkotórészeit és a köztük fellépő elektromos, gyenge és erős nukleáris kölcsönhatásokat 19 kísérleoleg meghatározoc paraméter segítségével, igen nagy pontossággal Sheldon Glashow, Steven Weinberg, Abdus Salam (1979 Nobel- díj, elektrogyenge elmélet) Két alapvető elméletre támaszkodik a kvantummechanikára, ami leírja az anyag viselkedését igen kis távolság skálákon a speciális relaovitáselméletre, ami leírja a fényét megközelítő sebességű részecskék viselkedését Nem a teljes történet! Neutrínó tömeg? Gravitáció? Sötét anyag, sötét energia? Anyag anoanyag aszimmetria?? Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 16

A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE 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" Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 17

FERMIONOK ÉS BOZONOK Spin: belső impulzusmomentum Analógia: Föld forgása a tengelye körül spin Föld keringése a Nap körül pályamomentum Elemi részecskék esetében a spin nem köthető forgáshoz, hanem egy belső tulajdonság! Kvantum- rendszerekben az impulzusmomentum kvantált: h/2π [s (s+1)], ahol s egész (0,1,2 ) és fél- egész (1/2,3/2..) értékeket vehet fel Fermionok: fél- egész spinű részecskék (pl. az elektron, a proton, a neutron 1/2- spinű) Bozonok: egész spinű részecskék (pl. a foton, a pion 1- spinű) Fermionok és bozonok különbözően viselkednek a fermionok Fermi- Dirac staoszokával írhatók le, a Pauli- féle kizárási- elvet köveok, a bozonok a Bose- Einstein staoszokát köveok, és kondenzálódhatnak Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 18

A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE Meghatározó tulajdonságok: 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,... Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 19

AZ ANYAG ÉPÍTŐKÖVEI: A FERMIONOK 4He atom Miért van három család, növekvő részecske tömegekkel? Pásztor: Bevezetés a részecskeﬁzikába 20

LEPTONOK ( 1) elektron muon tau Elektromosan töltöc leptonok: a negašv töltésű elektron és nehezebb társai A nehéz töltöc leptonok gyorsan elbomlanak, például (0) elektron- neutrínó muon- neutrínó tau- neutrínó Honnan származik és mennyi a neutrínók tömege? Semleges neutrínók: nagyon könnyűek (sokáig 0- tömegűnek tartocák őket) és nehezen észlelhetők A neutrínók nagyon gyengén hatnak kölcsön, jelenlétükre fizikai folyamatokban általában a hiányzó energia és impulzus utal ( energia és impulzus megmaradás!) Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 21

LEPTONOK ( 1) (0) elektron elektron- neutrínó muon muon- neutrínó tau tau- neutrínó 1897, J.J. Thomson, katódsugárzás vizsgálata: elektron NOBEL Carl Anderson, kozmikus sugarak vizsgálata ködkamrával 1932, pozitron, az elektron ano- részecske társa 1936, muon (eleinte μ- mezon ) 1930, Wolfgang Pauli, β- bomlás magyarázata: neutrínó hipotézis NOBEL 1956, C. Cowan & F. Reines, reaktor ano- ν e kimutatása vízzel teli detektorral (neutron NOBEL Magyar vonatkozás: 1957, Szalay Sándor és Csikai Gyula: Ano- neutrínó észlelés 6He β- bomlásában hcp://epa.oszk.hu/00300/00342/00185/pdf/ FizSzem_EPA00342_2005_10_356-361.pdf befogás + pozitron megsemmisülés) νe p n e +, e + e γγ NOBEL 1962, L.M. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger, Brookhaven AGS neutrínó nyaláb: muon neutrínó 1974-7, M.L. Perl et al. (SLAC- LBL), SPEAR e + e - ütköztetőnél e + e - e ± μ +E hiányzó események: tau NOBEL 2000, DONUT kollaboráció (FNAL): tau neutrínó NOBEL Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 22

Dirac rela_visz_kus hullám- egyenlete szabad fermionokra: ANYAG ÉS ANTI- ANYAG e + e Buborék kamra mágneses térben Dirac- egyenlet negašv energiájú megoldása (1928) Minden részecskének van egy ano- részecske párja, amely mindenben megegyezik vele csak a töltése ellentétes: proton (+) ó ano- proton ( ) elektron ( ) ó pozitron (+) Gravitáció azonosan hat részecskékre és ano- részecskékre, mivel tömegük azonos A természetben β- bomlásban és kozmikus sugarak hatására a föld légkörében is keletkeznek Pozitron felfedezése kozmikus sugarak vizsgálatával (C. Anderson, 1932) Ha egy részecske és egy ano- részecske találkozik, energia felszabadulása közben megsemmisülnek Az univerzum születésekor azonos számban keletkeztek részecskék és ano- részecskék. Mi történt az an_- anyaggal? Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 23

KVARKOK 1964: M. Gell- Mann és G. Zweig felismeri, hogy a rengeteg részecske- ütköztetésben megfigyelt új részecske, megmagyarázható csupán három elemi alkotórész az u, d és s kvarkok létével 1970: S. Glashow, J. Iliopoulos, L. Maiani megjósolja a c kvark létezését az íz- váltó semleges áramok elnyomásának magyarázatául NOBEL pl. K 0 L bomlás: fel bájos felső le furcsa (beauty) alsó 1973: M. Kobayashi, T. Maskawa megjósolja a b kvark létezését a CP- sértés magyarázatául 1974: c kvark egyidejű felfedezése az USA BNL (S. Ting et al.) és SLAC (B. Richter et al.) NOBEL laboratóriumaiban 1977: b kvark felfedezése a FNAL- ban (USA) 1995: t kvark felfedezése a FNAL- ban Kvarkok nem figyelhetők meg szabadon, csupán kötöc állapotban, részecskékbe zárva NOBEL Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 24

Problémák a kvark modellel A KVARKOK SZÍNE Δ ++ = (u u u ) 3 azonos fermion, mi van a Pauli- kizárással? Mi tartja össze a hadronokat? _ Miért csak (qq) és (qqq) hadronok vannak? Miért nincs szabad kvark? Mezonok: kvark anokvark pár Barionok: három- kvark állapot A HADRONOK RENDSZEREZÉSE Spin- 0 mezon oktec q: elektromos töltés s: strange- kvark szám Spin- 1/2 baryon oktec Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába Spin- 3/2 baryon dekuplec 25

A KVARKOK SZÍNE Problémák a kvark modellel Δ ++ = (u u u ) 3 azonos fermion, mi van a Pauli- kizárással? Mi tartja össze a hadronokat? Miért csak (qq) _ és (qqq) hadronok vannak? Miért nincs szabad kvark? Új kvantumszám, a szín bevezetése: Red, Green, Blue szín- töltés (à kvantum szín dinamika, QCD [quantum color dynamics) Δ ++ kvarkjai különböző (színű) kvantumállapotban vannak A kvarkok közöc erős szín- szín vonzás van (a szín az erős kcsh töltése) Csak színtelen állapotok szabadok (kvarkbezárás) Analógia a színlátással: 3 erős kcsh- beli állapot ~ 3 alapszín (ano- szín ~ kiegészítő szín, színtelen állapot ~ fehér) Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 26

HADRONOK: BARIONOK ÉS MEZONOK Hadron tömeg = Kvarkok tömege (1%) + (mozgási és helyzeo energia) Spin J = (Σ q ±½) + pályamomentum J = 1/2, 3/2, (fermionok) Q = 0, ±1, ±2 Nukleonok, J=1/2: p (uud), n (udd) J = 0, 1, (bozonok) Q = 0, ±1 Pionok, J=0: π - (ud), π - (ud), π 0 (uu- dd)/ 2 Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 27

PENTAKVARKOK? Hagyományosan Mezonok Barionok Exookus állapotok (QCD? Tetra- kvarkok? (Z c (3900), 2013, BESIII China, BELLE Japan) Pentakvarkok? (P c (4450) + és P c (4380) +, 2015 July, LHCb CERN) Hadron- molekulák vagy valódi több- kvark kötöc állapotok? Λ b J/ψ p K Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 28

A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE 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" Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 29

KÖZVETÍTŐ RÉSZECSKÉK: MÉRTÉK BOZONOK Részecskék közöc ható erőket elemi részecskék, ú.n. mérték bozonok közvešok Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 30

A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE Erős kölcsönhatás csak a kvarkokra hat, bezárja őket a hadronokba (színtöltés) 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" Fermionok" W" WIbozon" Z" ZIbozon" Bozonok" Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 31

A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE Elektromágneses Kölcsönhatás az elektromosan töltöc részecskékre hat 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" Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 32

A RÉSZECSKEFIZIKA STANDARD MODELLJE Gyenge kölcsönhatás A neutrínók csupán ezt érzik, így nagyon nehéz őket detektálni. 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" W" WIbozon" Z" ZIbozon" H" HiggsI" bozon" KölcsönI" hatás" közveutő" mérték" bozonok" Fermionok" Bozonok" Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 33

ELEMI KÖLCSÖNHATÁSOK, ERŐK Példák Elektromágneses γ Erős g Gyenge W,Z Gravitációs (Graviton?) Elektromosan töltött részecskék Atomok, molekulák Optikai és elektromos berendezések Telekommunikáció Kvarkok Nukleonok (és más hadronok) Magfúzió a csillagokban Minden részecske Neutron bomlás n p + e ν e Radioaktív β-bomlások Energiatermelés a csillagokban Potenciál ~ 1/r -a/r + b r ~ e -m V r / r ~ 1/r Minden részecske Eső tárgyak Égitestek, galaxisok, fekete lyukak Hatótávolság (F~1/r 2 ) Rövid (1 fm ~ 1/m π ) Rövid (<1 fm) (F~1/r 2 ) Élettartam 10-20 10-16 s π 0 γγ 10-23 s Δ pπ >10-12 s π + µ + ν µ 1 fm = 10-15 m R proton = 0.8 fm Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 34

KÖZVETÍTŐ RÉSZECSKÉK: MÉRTÉK BOZONOK Hierarchia probléma : gravitációs erőnek a többi erőhöz viszonyított gyengesége Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 35

FEYNMAN DIAGRAMMOK Képi megjelenítése a fizikai folyamatot leíró matemaokai kifejezéseknek Minden részecskét más vonalšpus jelöl Szabad véggel rendelkező vonalak valódi, megfigyelhető részecskéket, egyik vertexből (részecskevonalak találkozási pontjából) a másikba futók virtuális részecskéket jelölnek Fermionoknál a részecskéket és ano- részecskéket a nyíl iránya különbözteo meg Minden vertexhez tartozik egy csatolási állandó Minden vertexben energia/impulzus-, impulzusmomentum-, valamint töltésmegmaradás áll fenn A Standard Modell alapegyenlete, ún. Lagrange függvénye (1. előadás, 6. fólia) 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 Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 36

FEYNMAN DIAGRAMMOK A szórási folyamatok hatáskeresztmetszetének (kölcsönhatási valószínűségének) kiszámításához az összes lehetséges közbülső állapotra összegezni kell Minden közbülső állapot ábrázolható egy Feynman gráffal, melyeket könnyebb ácekinteni mint a mögöcük lévő bonyolult számításokat Csak perturbašv (= sorba fejthető) folyamatokat ábrázolhatunk így, ahol a csatolási állandó kicsi (<<1), pl. az erős kölcsönhatás kötöc állapotai nem írhatók így le Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 37

Csupán nagyon rövid ideig léteznek VIRTUÁLIS RÉSZECSKÉK Nem köveok 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 kölcsönvec energiából) Közeli kapcsolatban állnak a kvantum fluktuáció fogalmával: tekinthetjük születésüket a kvantummechanikai mennyiségek várható érték körüli fluktuációjának következményeként m n = 0.940 GeV m p = 0.938 GeV erősen virtuális W boson! m W ~ 80 GeV Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 38

KÖLCSÖNHATÁSOK HATÓTÁVOLSÁGA ÉS A KÖZVETÍTŐ RÉSZECSKÉK TERMÉSZETE I. Hogyan függ az EM kölcsönhatás erőssége a távolságtól? Kvantummechanika szerint egy részecske összes lehetséges útját össze kell adni a megfelelő súlyokkal ahhoz, hogy egy fizikai jelenséget pontosan leírjunk Minél messzebb van két töltés a köztük haladó foton annál bonyolultabb úton haladhat, annál több virtuális párt tud kelteni távolsággal az erő csökken γ e - e + γ Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 39

KÖLCSÖNHATÁSOK HATÓTÁVOLSÁGA ÉS A KÖZVETÍTŐ RÉSZECSKÉK TERMÉSZETE II. Miért gyenge a gyenge kölcsönhatás? A közveštő részecskék (W, Z) nehezek, nagyobb energiára van szükség a létrehozásukhoz A részecskefizika nyelvén f 1 f 1 ' V* ~ 1 q 2 + M 2 f 2 f 2 Kölcsönhatási potenciál: V(r) ~ e Mr r Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 40

KÖLCSÖNHATÁSOK HATÓTÁVOLSÁGA ÉS A KÖZVETÍTŐ RÉSZECSKÉK TERMÉSZETE III. Miért erős az erős kölcsönhatás? A gluon tömege 0 (mint a fotoné) A gluon töltöc (színes) az erős kölcsönhatás szempontjából Nemcsak virtuális fermion párok, hanem gluon párok is születhetnek a vákumban Ezek a virtuális gluonok erősíok a kölcsönhatást! A feno potenciál leírja mindkét megfigyelt jelenséget: a kvark- bezárást és az aszimptookus szabadságot 8 fajta gluon: 9 szín anoszín kombináció: pp, pk, pz, kp, kk, kz, zp, zk, zz, de (pp+kk+zz)/ 3 színtelen ÚJ! a(r) változása biztosítja az aszimptookus szabadságot Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába V(r) ~ a(r) r + br 41

KVARK BEZÁRÁS Mi történik, ha két részecskét megpróbálunk eltávolítani egymástól? A gluon önkölcsönhatás összehúzza az erővonalakat Elektromos tér (szécerjed) V(r) ~ 1/r Színtér (szétszakad) kvark bezárás V(r) ~ -a/r + b r Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 42

HADRONZÁPOROK Az ütközésben keletkező kvarkok távolodnak egymástól amíg energiájuk futja, kvark párokat keltenek kialakul egy részecske- vagy hadron- zápor ( jet ) A közeli kvark párok, kvark hármasok hadronokat hoznak létre (mezonok, barionok) Fragmentáció, hadronizáció Pásztor: Bevezetés a részecskeﬁzikába Gluon felfedezése (DESY PETRA) 43

EXTRA Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 44

A STANDARD MODELL Kvarkok Leptonok u up (fel) d down (le) e elektron c charm (bájos) s strange (furcsa) μ müon t top (felső) b bocom (alsó) τ tau g gluon γ foton H Higgs- bozon Kölcsön- hatás közveštő mérték bozonok ν e elektron- neutrínó ν μ müon- neutrínó ν τ tau- neutrínó W W- bozon Z Z- bozon Fermionok Bozonok Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 45

A STANDARD MODELL + ano- részecskék Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 46

Pásztor: Bevezetés a részecskeﬁzikába 47

RÉSZECSKE DETEKTOROK Töltés meghatározás Impulzus mérés F = qv B = m v 2 r r = mv qb Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 48

RÉSZECSKE DETEKTOROK Detektor metszet, részecske nyomokkal Részecskék nyoma a detektorban Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 49

A NÉHAI OPAL DETEKTOR LEP gyorsító 4 sok- célú detektorának (ALEPH, DELPHI, L3, OPAL) egyike Adatgyűjtés: 1989-2000 Méret: 12 m x 12m x 12m Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 50

LEP LEP1, s 91 GeV: e + e - Z ff LEP2, s 200 GeV: e + e - WW, ZZ, ff(γ), Pontszerű leptonok ütközése Tiszta események Tipikus LEP2 esemény: e + e - WW qqqq 4 hadron zápor <100 töltöc részecske Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 51

??? Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 52

Z μ + μ - AT LEP OPAL Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 53

Z μ + μ - γ AT LEP OPAL Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 55

Z e + e - AT LEP OPAL Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 57

Z e + e - γ AT LEP OPAL Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 59

Z τ + τ - μ + e - + E hiányzó AT LEP OPAL Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 61

Z τ + τ - h + (h - h + h - ) + E hiányzó AT LEP OPAL Tau élecartam (0.3 ps) mérhető ilyen eltolt vertexű eseményekkel Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 63

Z ννγ AT LEP OPAL Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 65

Z qq AT LEP OPAL Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 67

Z qqg AT LEP OPAL Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 69

??? K 0 Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 70

Z bb AT LEP OPAL - b b K 0 Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 71

??? φ K + K - J/ψ μ + μ - Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 72

Z bb AT LEP OPAL - b b φ K + K - J/ψ μ + μ - B s J/ψ φ Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 73

Z BOZON BOMLÁS elektron pár muon pár tau pár muon, elektron kvark (hadron zápor) pár kvark pár és gluon tau pár hadron, muon (3 hadron zápor) Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 74

Z BOZON BOMLÁS A LEP GYORSÍTÓN elektron pár muon pár tau pár elektron, muon kvark (hadron zápor) pár kvark pár és gluon (3 hadron zápor) tau pár 1 és 3 hadron Pásztor: Bevezetés a részecskefizikába 75