Sinkovicz Péter. ELTE, MSc II november 8.

Hasonló dokumentumok
Bevezetés a részecske fizikába

A tau lepton felfedezése

Hadronok, atommagok, kvarkok

JÁTSSZUNK RÉSZECSKEFIZIKÁT!

Részecskefizika kérdések

Elemi részecskék, kölcsönhatások. Atommag és részecskefizika 4. előadás március 2.

Bevezetés a részecskefizikába

NAGY Elemér Centre de Physique des Particules de Marseille

Határtalan neutrínók

Belső szimmetriacsoportok: SU(2), SU(3) és a részecskék rendszerezése, a kvarkmodell alapjai

Axion sötét anyag. Katz Sándor. ELTE Elméleti Fizikai Tanszék

A Lederman-Steinberger-Schwartz-f ele k et neutrn o ks erlet

Úton az elemi részecskék felé. Atommag és részecskefizika 2. előadás február 16.

Magfizika szeminárium

Részecskefizikai gyorsítók

Paritássértés FIZIKA BSC III. MAG- ÉS RÉSZECSKEFIZIKA SZEMINÁRIUM PARITÁSSÉRTÉS 1

Kvarkok. Mag és részecskefizika 2. előadás Február 24. MRF2 Kvarkok, neutrínók

2012. október 23. Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Részecske- és magfizikai szeminárium 1 / 18


CERN: a szubatomi részecskék kutatásának európai központja

Bevezetés a részecskefizikába

Kvarkok. Mag és részecskefizika 2. előadás Február 23. MRF2 Kvarkok, neutrínók

BEVEZETÉS A RÉSZECSKEFIZIKÁBA

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (e) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: december 3. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

A Standard modellen túli Higgs-bozonok keresése

FIZIKAI NOBEL-DÍJ, Az atomoktól a csillagokig dgy Fizikai Nobel-díj 2013 a Higgs-mezôért 10

A RÉSZECSKEFIZIKA ANYAGELMÉLETE: A STANDARD MODELL

A részecskefizika eszköztára: felfedezések és detektorok

Radioaktivitás. 9.2 fejezet

Milyen eszközökkel figyelhetők meg a világ legkisebb alkotórészei?

Ligeti Zoltán. Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory University of California, Berkeley, CA Kivonat

Atommagok alapvető tulajdonságai

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by NKTH and OTKA (H07-C 74281) augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 1

Bevezetés a részecskefizikába

BEVEZETÉS A RÉSZECSKEFIZIKÁBA

Mágneses monopólusok?

Radiokémia vegyész MSc radiokémia szakirány Kónya József, M. Nagy Noémi: Izotópia I és II. Debreceni Egyetemi Kiadó, 2007, 2008.

BEVEZETÉS A RÉSZECSKEFIZIKÁBA

A sötét anyag nyomában. Krasznahorkay Attila MTA Atomki, Debrecen

Theory hungarian (Hungary)

Puskin utcai kvarkok. A kvarkfizika második korszaka ( )

Mese a Standard Modellről 2*2 órában, 1. rész

Bevezetés a Standard Modellbe


A részecskefizika kísérleti eszközei

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

8. AZ ATOMMAG FIZIKÁJA

Neutrínó oszcilláció kísérletek

Legújabb eredmények a részecskefizikában. I. rész

Mikrofizika egy óriási gyorsítón: a Nagy Hadron-ütköztető

Neutrinódetektorok és részecske-asztrofizikai alkalmazásaik

Hogyan tegyük láthatóvá a láthatatlant?

Röntgendiagnosztikai alapok

egyetemi állások a relativitáselmélet általánosítása (1915) napfogyatkozás (1919) az Einstein-mítosz (1920-tól) emigráció 1935: Einstein-Podolsky-

Gyorsítók. Veszprémi Viktor Wigner Fizikai Kutatóközpont OTKA NK augusztus 12. Hungarian Teacher Program, CERN 1

A Standard Modellen túl. Cynolter Gábor

Repetitio est mater studiorum

Fázisátalakulások, avagy az anyag ezer arca. Sasvári László ELTE Fizikai Intézet ELTE Bolyai Kollégium

Megmérjük a láthatatlant

A v n harmonikusok nehézion-ütközésekben

Bevezetés a részecskefizikába

Trócsányi Zoltán. Az eltőnt szimmetria nyomában - a évi fizikai Nobel-díj

Új, 125 GeV nyugalmi tömegű részecske megfigyelése

Z bozonok az LHC nehézion programjában

Részecskefizika 3: neutrínók

Radioaktivitás és mikrorészecskék felfedezése

Van-e a vákuumnak energiája? A Casimir effektus és azon túl

A legkisebb részecskék a világ legnagyobb gyorsítójában

Részecske- és magfizika vizsgakérdések

A spin. November 28, 2006

2, = 5221 K (7.2)

A gamma-sugárzás kölcsönhatásai

NA61/SHINE: Az erősen kölcsönható anyag fázisdiagramja

A CERN, az LHC és a vadászat a Higgs bozon után. Genf

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

11. tétel - Elektromágneses sugárzás és ionizáló sugárzás kölcsönhatása kondenzált anyaggal, áthatolóképesség, záporjelenségek.

Kozmikus sugárzás a laborban...?

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Hegedüs Árpád, MTA Wigner FK, RMI Elméleti osztály, Holografikus Kvantumtérelméleti csoport. Fizikus Vándorgyűlés Szeged,

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

A teljes elektromágneses spektrum

Egzotikus részecskefizika

Magfizika tesztek. 1. Melyik részecske nem tartozik a nukleonok közé? a) elektron b) proton c) neutron d) egyik sem

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

IDTÁLLÓ GONDOLATOK MOTTÓK NAGY TERMÉSZET TUDÓSOK BÖLCS GONDOLATAIBÓL A TUDOMÁNY ÉS A MINDEN NAPI ÉLET VONAKOZÁSÁBAN

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by OTKA MB augusztus 16. Hungarian Teacher Program, CERN 1

Magyarok a CMS-kísérletben

További olvasnivaló a kiadó kínálatából: HRASKÓ PÉTER: Relativitáselmélet FREI ZSOLT PATKÓS ANDRÁS: Inflációs kozmológia E. SZABÓ LÁSZLÓ: A nyitott

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

Kvarkok 1. R. P. Feynman

Erős terek leírása a Wigner-formalizmussal

Magyar Tanárprogram, CERN, 2010

Sugárzás kölcsönhatása az anyaggal 1. Fény kölcsönhatása az anyaggal. 2. Ionizáló sugárzás kölcsönhatása az anyaggal KAD

Az expanziós ködkamra

Folyadékszcintillációs spektroszkópia jegyz könyv

Compton-effektus. Zsigmond Anna. jegyzıkönyv. Fizika BSc III.

Diszkrét Matematika. zöld könyv ): XIII. fejezet: 1583, 1587, 1588, 1590, Matematikai feladatgyűjtemény II. (

Idegen atomok hatása a grafén vezet képességére

Gyorsítók a részecskefizikában

Thomson-modell (puding-modell)

Átírás:

Út az elemi részecskék felfedezéséhez és az e e + ütközések ELTE, MSc II. 2011. november 8.

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás Áttekintés 1 Bevezető 2 c kvark V-A elmélet GIM mechanizmus c kvark kísérleti felfedezése 3 τ lepton τ lepton felfedezése 4 b kvark 5 Gyenge kölcsönhatás Higgs-mechanizmus W ± felfedezése Z 0 felfedezése

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás Bevezető 1974 előtt a Gell-Mann és Zweig által kidolgozott elmélet szerint a következő elemi részecskék vannak: kvarkok: u,d,s leptonok: e µ ν e ν µ A kvarkmodell szerint kvark szinglet kötött 1 állapotokat figyelhetünk meg a természetben. Ezek a kötött állapotok: barionoknak (q, q, q) 3 3 3 = 1 8 8 10 mezonoknak (q, q) 3 3 = 1 8 A leptonok azonban nem létesítenek kötött állapotokat. 1 szabad kvark a kvark-bezárás miatt nem figyelhető meg, szinglettől különböző állapotok tört töltést eredményeznének

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás Amikor úgy tűnt, hogy Gell-Mann kvarkelmélete helytálló, akkor kezdetét vette egy új tudományág, az ú.n. QCD. Az elmélet sikerességét a különböző kísérleti bizonyítok biztosították: ++ barion megtalálása Tömegformula [ m hadron = m 0 + m 1 Y + m 2 (I + 1) I Y 2 ] által adott jóslatok kísérleti bizonyítékai: PL.: barion oktet ((1/2) + )-ben 4db különböző tömeg van (Nukleon, Σ, Λ, Ξ) és csak három egyenletünk, ebből a következő reláció áll fent a tömegekre: 4 (1) 1 2 (m N + m Ξ ) = 1 4 (3m Λ + m Σ ) (2) amit 1% o pontossággal igazoltak

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás 1962 - Taylor-Friedman-Kendall kísérlete 22GeV-en elektron-proton szórás mért. Az egy részecske elemisége erősen energia függő, így amíg alacsony energián vagyunk, addig nem látjuk a kisebb részecskék belső szerkezetét. Ez az energia azonban elég volt a proton letapogatására, mivel λ c E E 10GeV-en a proton is belső szerkezetet mutat. A proton alkotó részeit Feynman partonok-nak nevezte. Azonban ezt az idillt Glashow és Bjorken elméleti jóslata (GIM mechanizmus) törte meg 1964-ben, mely szerint legalább 4 kvarknak kell létezni a természetben. (3)

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás V-A elmélet GIM mechanizmus c kvark kísérleti felfedezése V-A elmélet Az 1950-es években a paritás sértés kimutatására, az elméletisek megalkották az ú.n. V-A elméletet, mely szerint feĺırható egy olyan effektív Lagrange sűrűség ami tudja a paritás sértést: L weak = G F 2 l α h α (4) ahol a lepton-áram kvark szinten: l α (x) = l(x)γ α (1 + γ 5 ) ν l (x) és a hadron áram pedig: h α (x) = h(x)γ α (1 + γ 5 ) h (x). Látható, hogy a (γγ 5 ) 2 -ből képzett pszeudoskalár leírja a paritás sértést. Ha a V-A elméletből az s,d kvarkok hatáskeresztmetszetét meghatározzuk, akkor az nagyságrendekkel eltér a mért kísérleti értékektől.

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás V-A elmélet GIM mechanizmus c kvark kísérleti felfedezése GIM mechanizmus Tegyük fel, hogy létezik egy új kvark (charm) ami 2/3e töltéssel és egyenlőre tetszőleges tömeggel rendelkezik. Ekkor a hadron-áramban új tagok jelennek meg, amik leírják a c(x) áramlását. Így a teljes átmeneti valószínűségben megjelenik az charm kvark tömege: M 2 G2 F 16π 2 m2 c sin 2 θ cos 2 θ 10 7 (5) amiből a m c 1.5GeV. Ezt a számolást Mary K. Gaillard vezette. Mary eredménye rámutatott arra, hogy milyen energiaskálán érdemes vizsgálódni, azonban a kísérleti ellenőrzésre majd 10 évet várni kellet. Mindig boldogan vacsorázom elméleti emberekkel, de nem vagyok hajlandó fecsérelni az időmet, hogy a tanácsaik szerint dolgozzak Ting

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás V-A elmélet GIM mechanizmus c kvark kísérleti felfedezése c kvark kísérleti felfedezése Csaknem egyszerre 1974-ben fedezték fel Ting vezetésével Brookhavenben és Richter vezetésével Stanforban (SLAC), hogy e p +, illetve e e + ütközésékkor 3095 MeV energiánál a keletkező hadronok száma ugrásszerűen megnő. Az így talált részecskét J, illetve ψ-nek nevezték, amit később egy Salamoni döntéssel J/ψ-nek kereszteltek át. A J/ψ részecske bomlási rátája meglehetősen kicsinek bizonyult Γ J/ψ = 6.3keV (6) Ez az érték úgy volt magyarázható, hogy a J/ψ részecske nem egy részecske, hanem a cc mezon, más néven charmonium, ekkor ugyanis a cc hadron bomlás csak három gluon cserével írható le Γ J/ψ α 3 QCD (7)

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás V-A elmélet GIM mechanizmus c kvark kísérleti felfedezése A SLAC kutatói elektron és proton ütközésével keltettek virtuális fotonokat, a brookhaven kutatói szétfröccsentették a protont és a káoszból egy elektron-pozitron annihilálódott és fotont keltettek. Majd mindkét kísérletnél a foton keltett charmoniumot. A kis tömegű részecskék gyorsulás hatására több energiát sugároznak szét, a Liénard-Wiechert elmélet szerint ez ponttöltés esetén: P = dfs = q2 1 6πε 0 m 2 c 2 ( ) de 2 (8) dx ahol de/dx a külső erők járuléka. Így az első kísérletben lineáris gyorsítót használtak, hogy elkerüljék a nagy sugárzási veszteséget. Töltések gyorsítása: homogén elektromos térrel: Ed, szinkrotron, plazma frekvenciás gyorsítás (relativisztikus mozgásnál a B 2 -es tag nem hanyagolható el mintegy megsiklathatóak a részecskék az EM hullámokon (10 20Gev))

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás V-A elmélet GIM mechanizmus c kvark kísérleti felfedezése A charmonium elmélet igazolásához kellett egy olyan részecskét találni aminek nincs kioltva a bájosság tulajdonsága. 1976-ban találtak (SLAC) is egy ilyen részecskét: D 0 = (cd). Ez a legkönnyebb bájos részecske. A D 0 megtalálása után elfogadott lett a modell, így tehát helyre állt a 4x4-es szimmetria. És a következő elemi részecskéket ismerték el: up down kvarkok leptonok charme strange ν e ν µ elektron müon Első nemzedék (első oszlop) a mai világunk alkotója, illetve második nemzedék (második oszlop) nagy energiákon jelentős

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás τ lepton felfedezése τ lepton felfedezése A c kvark felfedezése után elfogadott lett a kvark modell, így gyors magyarázat érkezett az 1975-ben Martin Perl által mért anomális jelenségre: e + e s=4gev e µ + +... (9) A mérés során látható volt hogy, az elektron és müon mellett még kell részecskéknek lenni, mivel az energia különben nem maradna meg. Azonban nem detektáltak semmilyen más részecskét (töltöttet). Valamint az is látható, hogy a leptonszám se marad meg. A bomlást úgy magyarázta, hogy rövid időre keletkezik egy: τ + τ pár ami gyenge bomlással elbomlik τ + e ν e +ν τ (10) τ µ + ν µ ν τ (11) így 4 neutrínó szerepel a (9.) egyenlet hiányzó részében.

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás τ lepton felfedezése Martin Perl felfedezése után hosszú vita következett az új nehéz lepton és a harmadik leptoncsalád létezésének kérdésével kapcsolatban. Csak DESY-ben (Deutsches Elektronen Synchrotron, Hamburg), a DORIS tárológyűrűben a PLUTO mágneses detektorral 1977-ben folytatott kísérletek győzték meg teljesen a fizikusokat a lepton létezéséről. Martin Perl az aacheni 1976-os neutrínókonferencián nevezte el az új nehéz részecskét t-leptonnak a görög triton (harmadik) első betűje a t után, ami a harmadik leptoncsaládra utal. Azonban a ν τ -t csak 2000-ben sikerült azonosítani, direktbe megfigyelni (mégpedig úgy hogy nem látjuk őket...). Kozmikus neutrínó mérés során a neutrínó oszcilláción túli neutrínó hiányt is megfigyeltek, mivel a ν τ -t nem detektálták.

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás b kvark felfedezése 1975-re a Fermilab átalakul és a J/pszi 3.1GeV-es felső energia korlátjától 25GeV-es ütközéseket is tudott vizsgálni. Lederman vezetésével megismételték a J/pszi kísérletet és magasabb energián megtalálták az Υ részecskét (azonban 6GeV-en találtak egy hopsz-leon részecskét is és a publikáció után derült ki, hogy fake), amit már nagy gyakorlattal be tudtak azonosítani egy ú.n. szépségiumnak (bb), aminek a tömege: m b = 4.1GeV (12)..., és később valamilyen félre értés során ezt a hangulatos nevet háttérbe szorította egy másik; a bottom elnevezés, ami legföljebb egy-két női napozó esetén jelenti ugyanazt, mint a beauty... Lederman

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás A beauty kvark felfedezésével már kirajzolódott a három generáció, kvarkok up charme? down strange beauty leptonok ν e ν µ ν τ elektron müon tau azonban a szimmetriát kiegészítő top kvarkot még nem találták meg, de teljesen elfogadott lett hogy valahol léteznie kell. Majd 2001-ben a Tevatronban (Fermilab) az előzőekkel hasonló mérésekkel felfedezték a top kvarkot is (m τ = 171GeV).

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás Higgs-mechanizmus W ± felfedezése Z 0 felfedezése Gyenge kölcsönhatás Az elektromágneses folyamatok leírásának (pl. g mérés) sikerességén felbuzdulva a gyenge kölcsönhatást is hasonló keretek közt kezdték tárgyalni, azonban a véges hatótávolság miatt R = mc 2 10 19 (13) a közvetítő részecskékhez (igen nagy) tömeget kell rendelni. A folyamatok leírására Schwinger két mértékbosont vezetett be W ±. Majd később semleges áramokat is megfigyeltek és ezekhez a Z 0 -t csatolták. Ahhoz hogy a W,Z bosonok valódi mértékterek lehessenek (SU(2)), ahhoz tömegteleneknek kéne lenniük. Ennek az ellentmondásnak a kiküszöbölésére egy magyarázatot jelent, a Higgs-mechanizmus. Amit Peter Higgs talált ki az 1960-as évek végére, és Steven Weinberg dolgozta ki részletesen. Ez egy újabb részecske létezését jósolta meg, az úgynevezett Higgs-bozonét.

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás Higgs-mechanizmus W ± felfedezése Z 0 felfedezése Higgs-mechanizmus Globális szimmetria spontán sérülése esetén létezik egy kvázi részecske, az úgynevezett Goldstone boson. Spontán sérül egy szimmetria, ha UHU = H, de U 0 > 0 >. B >= φ B 0 >= Uφ A U 0 >= Uφ A 0 >= U A > (14) ha A >= 0 > és B > 0 > akkor látható hogy létezik egy olyan töltés, ami nem tünteti el a vákuum állapotot. Hiszen folytonos szimmetria esetén a töltések generálják a transzformációt: U = e iɛa Q a (15) ami infinitezimális: U 0 > 0 > ɛ a Q a 0 > 0. Ami viszont azt jelenti, hogy létezik olyan mező aminek a vákuum várható értéke nem nulla és a mező egy skalártér (Lorentz-invariancia miatt): < 0 [Q a, φ i (0)] 0 >= it a ij < 0 φ j (0) 0 >= it a ijη (16)

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás Higgs-mechanizmus W ± felfedezése Z 0 felfedezése Szeretnénk, ha a mezők vákuum várható értéke nulla lenne, így bevezethetünk az előző skalár tér helyett egy η-val eltolt teret, aminek a vákuum várható értéke már nulla. A Lagrange függvényben ez az eltolás egy tömeg tagot eredményez. A Goldstone tétel 0 tömegű részecskét jósol, azonban a nem lineáris szigma modellből láthatóan egy tömeges részecske is felruházhatja a többi részecskét tömeggel. A Higgs-bozon maga is rendelkezik tömeggel. A LEP gyorsító eredményei alapján jelenleg 95%-os biztonsággal álĺıtható, hogy a Higgs, ha létezik, akkor nem kisebb 117 GeV-nél. Az őt leíró elmélet ellentmondásossá válik 251 GeV tömeg fölött.

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás Higgs-mechanizmus W ± felfedezése Z 0 felfedezése W ± felfedezése Ezek a bosonok felelősek a töltött folyamtatokért, a β-bomlás a következő képen magyarázható az elektrodinamikához hasonló eszközökkel: nukleon szinten: n p + e + ν e (17) kvark szinten: d W + u e + ν e + u (18) Az átrendezett folyamatban vesz részt a W + : u +2/3 d 1/2 + W + d 1/2 + e + + ν e (19) Végül az SPS-ben találták meg a W + bosont p + p ütközésben, p + p ütközésben nagyobb energiát érhetünk el, azonban a végállapotban sokk részecske keletkezik és abból kell kiválogatni a megfelelőt.

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás Higgs-mechanizmus W ± felfedezése Z 0 felfedezése Z 0 felfedezése A W-bosont a gyenge (angolul weak) kölcsönhatásról nevezték el. A Z részecskét pedig humorosan azért nevezték el így, mert ez volt akkor az utolsó részecske, amelyet a standard modellből fel kellett fedezni. Más magyarázat szerint a zero elektromos töltésére utal. A Z-boson (vagy Z 0 ) a saját antirészecskéje, így minden lehetséges töltése nulla. A Z boson lehetséges bomlásai: Z 0 ν i + ν i ahol i {e, ν, τ} (20) A Z 0 -t nehéz volt kimutatni, megjelent a cikk, majd vissza vonták. Végül az SPS-ben találták meg a Z 0 bosont p + p ütközésben, amit a LEP e + + e ütközésben tovább pontosítottak. Az e + + e ütközésekkel precízebb eredményeket kapunk, mivel két valóban pontszerű atom ütközik és a végtermék is elég tiszta lesz emiatt.

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás

Bevezető c kvark τ lepton b kvark Gyenge kölcsönhatás Köszönöm a figyelmet Felhasznált irodalom: Korábbi tanulmányaim L. Lederman - Az Isteni atom http://hu.wikipedia.org/wiki/kvark http://en.wikipedia.org/wiki/w and Z bosons http://modernfizika.lapunk.hu/?modul=blog&a=107712